Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Спосіб прямого одержання електричної енергії з будь-якого електроліту (або з електрохімічної реакції), що полягає у введенні електроліту в простір між анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживач енергії, який відрізняється тим, що процес розведення позитивних і негативних іонів з електроліту до катода і анода здійснюється автоматично шляхом використання властивостей електропровідності PIN структури, яка складається з сукупності провідностей: катода провідністю Р, анода провідністю N і електроліту з власною провідністю I.

Текст

Реферат: Спосіб прямого одержання електричної енергії з будь-якого електроліту (або з електрохімічної реакції) полягає у введенні електроліту в простір між анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживач енергії. Процес розведення позитивних і негативних іонів з електроліту до катода і анода здійснюється автоматично шляхом використання властивостей електропровідності PIN структури, яка складається з сукупності провідностей: катода провідністю Р, анода провідністю N і електроліту з власною провідністю I. UA 71983 U (12) UA 71983 U UA 71983 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі електротехніки, зокрема до безмембранних паливних комірок, що використовуються в енергоустановках різного призначення для прямого одержання електричної енергії з хімічних і біологічних процесів, зокрема для отримання енергії з води, водних розчинів і з будь-яких електролітів для військового та цивільного морського флоту, сільського господарства, промисловості, армії і космонавтики. Відомий спосіб прямого одержання електричної енергії з енергії реакції окиснення палива в потоці окиснювача, що полягає у створенні умов для виникнення реакції окиснення палива окиснювачем, отримання потоку позитивних і негативних зарядів, поділу та розведення їх до анода і катода за допомогою іонообмінної мембрани. При з'єднанні електродів (катода та анода) зовнішнім електричним ланцюгом, в йому виникає постійний електричний струм [1]. Недоліком даного способу є те, що для поділу позитивних і негативних зарядів використовуються іонообмінні мембрани. Ці мембрани є найбільш дорогими з усіх елементів, що становлять паливну комірку. Більше того, фізика роботи цих елементів до теперішнього часу залишається недостатньо вивченою, що обумовлює технологічні складності і утрудняє широке промислове використання паливних комірок. Відомо також, що іонообмінні мембрани мають істотну власну провідність, що зменшує ККД комірки. Недоліком пристрою є наявність у пристрої реактора дорогої іонообмінної мембрани, яка нестабільно працює (забивається паливними відходами). Відомо також, що в будь-якому розчині і навіть у дистильованій воді завжди присутні дисоційовані іони. У природній воді, річковій, озерній та водопровідній іонів більше, а в морській їх більше на порядок. Відомий спосіб і пристрій отримання електричної енергії [2, 3, 4] з реакції взаємодії палива з окиснювачем, наприклад водню з киснем, що включає наступні операції. Паливо та окиснювач подаються в простір реакції, в якому попередньо створені умови для виникнення реакції окиснення. При цьому в потоці палива та окиснювача виникають позитивно і негативно заряджені частинки - аніони і катіони. Ці заряди відводять із суміші палива і окиснювача до електродів, що встановлені по різні сторони об'єму реакції - анода і катода. Електроди з'єднують зовнішнім електричним ланцюгом, в якому і виникає обмін зарядами, тобто протікає електричний струм. Аніони і катіони, що знаходяться в електроліті доставляються до анода і катода за допомогою додатково введеної до складу комірки, джерела електричного або магнітного поля. Недоліком цього способу і пристрою є необхідність наявності зовнішніх додаткових полів електричного чи магнітного. Вчений Пол Кеніс (Paul Kenis) з університету Іллінойсу стверджує, що розробив паливний елемент принципово нового типу - безмембранний. У традиційних паливних елементах одним з основних вузлів є іонообмінна мембрана, через яку проходять іони реагуючих в елементі речовин. Вартість мембрани складає від 20 до 40 % всієї вартості елемента. Замість мембрани Кеніс пропонує використовувати властивість поведінки рідини на мікрорівні. При протіканні двох потоків рідини в мікроканали вони не змішуються, оскільки течія в цьому випадку ламінарна і не утворює завихрень. Тому досить закачувати рідке паливо і окиснювач в канали діаметром близько 0,25 мм, і реакція піде без будь-якої мембрани. Вчені створили працюючий прототип паливного елемента, заснованого на цьому принципі. Кажуть, що він виробляє електричну енергію 0,25 Вт і має розміри 30×1×1 мм. Розробка вельми багатообіцяюча, тим більше, що за твердженням Кеніса, у такій системі можна використовувати лужні розчини, що може підвищити потужність елемента приблизно в півтора разу (фіг. 1). Прототип [4, 5]. Найчастіше паливну комірку Кеніса називають "безмембранний мікрофлюїдний паливний елемент" підкреслюючи цим, що на відміну від широко відомих паливних осередків, ця комірка містить канал подачі палива (1), канал подачі окислювача (2), анод (3), катод (4) і простір між ними - мікроканал (5), в якому тече ламінарний потік палива і окислювача. При цьому сумарний потік перетворюється на три області, у центрі потоку – область дифузії зарядів (6), а з обох боків області відбору зарядів (7) (фіг.1). Виникаючі у просторі аніони і катіони, які віддають свої заряди аноду та катоду, що призводить до виникнення електричного струму в зовнішньому ланцюзі, що їх з'єднує. Той факт, що аніони і катіони йдуть до анода і катода, без впливу на них жодних сил, пояснюється властивістю ламінарних мікрофлюїдних потоків (паливо і окиснювач подаються у вигляді двох ламінарних потоків у вузький (мікрофлюїдний) простір між анодом і катодом). Недоліками даного способу і пристрою є: складність створення ламінарних потоків, мікорфлюїдного простору, та створення умов виникнення і протікання реакції окиснення палива та саморозходження зарядів до анода і катода. Останнє досі взагалі вважалось неможливим. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу отримання електричної енергії з будь-якого електроліту, наприклад з морської води (або потоків палива і 1 UA 71983 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 окиснювача, або біоелектричного процесу) шляхом удосконалення операції поділу позитивно і негативно заряджених іонів і розведення їх до катода і анода. Поставлена задача удосконалення способу вирішується тим, що застосовують спосіб прямого одержання електричної енергії з електроліту, що полягає у введенні електроліту в простір між анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживач енергії, де процес розведення позитивних і негативних іонів з електроліту до катода і анода здійснюється автоматично шляхом використання властивостей структури напівпровідників та електроліту, які в сукупності електропровідності складають PIN структуру. Новизною у новому способі є те, що обидві операції поділу та розведення позитивно і негативно заряджених частинок у просторі між катодом і анодом здійснюється шляхом використання природного перерозподілу зарядів на межі трьох середовищ, кожна з яких має свою провідність в послідовності PIN структури. Властивості таких структур добре відомі в теорії напівпровідників. У нашому випадку, катодом повинен бути елемент, що має діркову провідність Р, електроліт I - елемент з власною провідністю, який може містити як позитивні так і негативні заряди і елемент N, що має електронну провідність. Для реалізації способу застосовують пристрій для прямого одержання електричної енергії, що містить: пристрій подачі електроліту, два електроди, простір між ними, в яке подається електроліт, та для спрощення конструкції, згідно з корисною моделлю, катод і анод пристрою виконуються з напівпровідників, що мають Р та N провідності відповідно. Електроліт, при цьому е може містити як катіони, так і аніони I . Розведення позитивних і негативних зарядів до анода і катода при цьому здійснюється автоматично, за рахунок рекомбінації потенційних бар'єрів, що виникають на кордоні з'єднання середовищ з РIN структурами. Для розуміння принципу роботи пропонованої паливної комірки розглянемо об'єм, до якого введені два електроди, що виконані з напівпровідників, один з яких (8) має електронну провідність, а другий (9) - діркову та простір між ними (10), в який подається електроліт, зовнішній електричний ланцюг, що містить споживача енергії (11) (фіг. 2,3). Нагадаємо, що аніони і катіони можуть існувати і переміщатися тільки в розчинах разом або порізно, а в провідниках перенесення заряду можливе тільки за допомогою вільних електронів, "дірки" не рухаються, а лише беруть участь у рекомбінації зарядів. Пропонований спосіб та пристрій здійснюються в наступній послідовності. У початковому стані, (при розімкнутому зовнішньому електричному ланцюзі), на границях РIN структури виникнуть два потенційних бар'єри за рахунок взаємного проникнення електронів з I - області в Р - область і з N - області в I - область (фіг. 3). З'єднаємо анод і катод зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживача 11. Потенційні бар'єри відразу зникнуть, оскільки для електронів, що знаходяться в області І відкриється шлях від електрода з N провідністю до електрода з Р провідністю через зовнішній ланцюг, що і приведе до створення струму через споживач енергії. Між негативно зарядженими частинками I - області і електродом, що має електронну провідність N, потенційний бар'єр не виникає і заряди вільно передадуться з електроліту на анод. Між позитивно зарядженими частинками і електродом, що має діркову провідність Р буде спостерігатися така ж картина. Таким чином, електрони з електроліту перейдуть на електрод з електронною провідністю, потім по зовнішньому ланцюгу далі до електрода з дірковою провідністю, де компенсуються позитивними зарядами, отриманими з електроліту. Шлях для руху електронів залишиться таким же, якщо в зовнішній ланцюг включити електричний однонаправлений вентиль, а один чи обидва електроди виконати з добре електропровідного матеріалу, що не окиснюються. Таке рішення дозволить суттєво спростити прилад. З другого боку, змінив однонаправлений вентиль на керований напівпровідниковий комутатор прилад зможе генерувати змінний електричний струм. При цьому: 1. Відпадає необхідність у використанні властивостей іонообмінних мембран (здешевлення); 2. Підвищується ефективність розділення зарядів і розведення їх до анода і катода шляхом використання природних властивостей напівпровідників (ефективність); 3. Відпадає необхідність у високоточній обробці деталей комірки, створенні ламінарних потоків і обмеження за розміром відстані між анодом і катодом (спрощення конструкції); 4. З'являється можливість, у разі необхідності, зменшити внутрішній опір комірки, замінивши матеріал катода (напівпровідник типу Р) на звичайний метал, що не піддається окисненню, додавши напівпровідниковий діод в зовнішній ланцюг. Експеримент, проведений з макетом паливної комірки, анод якої був виконаний з 2 кремнієвого напівпровідника з N провідністю площею в 5 см і катод - з нержавіючої сталі. Як 2 UA 71983 U 5 10 15 20 25 електроліти використовувалася вода Чорного моря і водопровідна вода (міста Судак). При обох електролітах ЕДС PIN комірки була однаковою і рівний 0,5 Вольт. Струм короткого замикання (кз) при роботі з морською водою склав 200 μа (0,01 Вт), а при роботі з водопровідною водою всього 21 μа. При цьому струм кз припинявся миттєво після включення навантаження зовнішнього ланцюга при роботі на водопровідній воді і повільно зменшувався при роботі з морською водою (з 200 μа до 98 μа протягом години). Останнє можна пояснити наявністю у морській воді мікроорганізмів. Зміни напруги і струму на виході досліджуваної комірки від відстані між електродами (в межах ± 10 мм) виявити не вдалося. Особливістю пропонованого рішення є те, що воно не порушує раніше відомих принципів побудови паливних комірок, крім принципу поділу зарядів. Тому залишається незмінним принцип розподілу генераторів на три типи залежно від робочої температури. Незмінними залишаються властивості, що здобуваються паливними комірками при введенні в їх конструкції каталізаторів різних процесів. Допускається застосування різних способів комутації комірок. Пропонований спосіб поділу може застосовуватися при взаємодії будь-яких видів палив, при будь-яких електролітах і т.д. Джерела інформації: 1. Лідоренко Η. С., Мучник Г. Ф. Електрохімічні генератори. - Μ.: - 1999. - С. 2. Патент № 86811 України. Спосіб прямого одержання електричної енергії з електрохімічної реакції та пристрій для його реалізації /В. П. Кисельов та ін. МПК (2009) Н01М 8/00; Н01М 8/06. 3. Патент № 86812 України. Спосіб прямого одержання електричної енергії з електрохімічної реакції та пристрій для його реалізації / В. П. Кисельов та ін. МПК (2009) Н01М 8/00; Н01М 8/06. 4. Kyselov V. P. Membraneless fuel cells to obtain electric power of direct & alternating current from chemical & bioprocessts. NASU Science and Innovation Tom 7+1+2011. 4. kv.minsk.by; Powered by Invision Power Board (http://www.invisionboard.com). 5. Invision Power Services (http://www.invisionpower.com). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб прямого одержання електричної енергії з будь-якого електроліту (або з електрохімічної реакції), що полягає у введенні електроліту в простір між анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживач енергії, який відрізняється тим, що процес розведення позитивних і негативних іонів з електроліту до катода і анода здійснюється автоматично шляхом використання властивостей електропровідності PIN структури, яка складається з сукупності провідностей: катода провідністю Р, анода провідністю N і електроліту з власною провідністю I. 3 UA 71983 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for direct electric energy generation from some electrolyte

Автори англійською

Kyseliov Vladyslav Petrovych, Kashkovskii Volodymyr Illich, Kyseliov Yurii Vladyslavovych, Bezuhlyi Yurii Vitaliiovych

Назва патенту російською

Способ прямого получения электрической энергии из какого-либо электролита

Автори російською

Киселев Владислав Петрович, Кашковский Владимир Ильич, Киселев Юрий Владиславович, Безуглый Юрий Витальевич

МПК / Мітки

МПК: H01M 8/00, H01M 8/06, H01M 8/08

Мітки: будь-якого, спосіб, електричної, прямого, одержання, електроліту, енергії

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/6-71983-sposib-pryamogo-oderzhannya-elektrichno-energi-z-bud-yakogo-elektrolitu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб прямого одержання електричної енергії з будь-якого електроліту</a>

Подібні патенти