Спосіб прямого одержання електричної енергії з будь-якого електроліту та пристрій для його реалізації

Реферат: Винахід належить до області 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. 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, який відрізняється тим, що процес розведення позитивних і негативних іонів з електроліту до катода і анода здійснюють шляхом використання властивостей електропровідності PIN структури. Пристрій для прямого одержання електричної енергії (паливна комірка) містить простір, в якому міститься або протікає електроліт з власною електропровідністю І (або протікає реакція окиснення потоку палива і окиснювача), забезпечений анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить споживача енергії. Анод і катод виконані з UA 98283 C2 (12) UA 98283 C2 напівпровідникового матеріалу з N і Р провідностями відповідно або для спрощення конструкції анод і катод паливної комірки виконані з провідника, а протікання струму в зовнішньому ланцюгу забезпечується включенням в нього однонаправленого електричного вентиля. UA 98283 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області 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 ньому виникає постійний електричний струм (Фіг. 1. [1]). Паливо та окиснювач подають в реактор (паливну комірку), в якому попередньо створені умови виникнення реакції окиснення, наприклад умови для протікання реакції горіння. Простір, в якому протікає реакція, обмежений двома, наприклад, плоскими електродами, до одного з яких впритул примикає іонообмінна мембрана так, що реакція окиснення протікає в просторі між одним з електродів і поверхнею іонообмінної мембрани. Утворені в цьому просторі аніони здатні проникнути через іонообмінну мембрану до електрода, відокремленому нею від зони реакції, і осісти на ньому. При цьому в просторі реакції утворюється надлишок катіонів, які зосереджується у поверхні другого електрода. Електрод, біля якого зосереджуються негативні заряди, зазвичай називають анодом, а біля якого зосереджуються позитивні заряди - катодом. Приклад ілюструє (Фіг. 1), де 1 - анод, 2 - катод, 3 - простір реакції, 4 - пристрій дозованої подачі палива, 5 - пристрій дозованої подачі окиснювача, 6 - іонообмінна мембрана. Стрілка 7 вказує вихідний напрямок руху палива, окиснювача і продуктів реакції, а стрілка 8 і 9 - напрямок відхилення зарядів. 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 заважає широкому промисловому використанню 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 зкиснем, 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 введеного до складу комірки, джерела електричного або магнітного поля (Фіг.2, Фіг.3). 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 перспективна, тим більше, що за твердженням Кеніса, у такій системі можна використовувати лужні розчини, що може підвищити потужність елемента приблизно в півтора разу (Фіг. 4). Прототип [4, 5]. Найчастіше паливну комірку Кеніса називають "безмембранний мікрофлюїдний паливний елемент" підкреслюючи цим, що на відміну від широко відомих паливних осередків, ця комірка 1 UA 98283 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 містить пристрій подачі палива, анод, катод і простір між ними, в якому протікає хімічна реакція, не має іонообмінної мембрани. В результаті реакції, у просторі виникають аніони і катіони, які віддають свої заряди аноду та катоду, що призводить до виникнення електричного струму в колі, 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, мікрофлюїдного простору та створення умов виникнення і протікання реакції окиснення палива та саморозходження зарядів до анода і катода. Останнє досі взагалі вважалось неможливим. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу отримання електричної енергії з будь-якого електроліту, наприклад, з морської води (або потоків палива і 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 здійснюють шляхом використання властивостей електропровідності PIN-структури. 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 к е Р , електроліт І - елемент з власною провідністю, який може містити як позитивні, так і a негативні заряди і елемент N , що має електронну провідність. В основу винаходу поставлена задача удосконалення пристрою для отримання електричної енергії з реакції окислення (паливної комірки) або з будь-якого електроліту, наприклад з морської води. Поставлена задача вирішується тим, що застосовують пристрій для прямого одержання електричної енергії (паливну комірку), що містить: пристрій подачі електроліту, два електроди, простір між ними, в який подається електроліт, та для спрощення конструкції, згідно з к a винаходом, катод і анод пристрою виконують з напівпровідників, що мають Р та N провідності е відповідно. Електроліт, при цьому може містити як катіони, так і аніони I . Розведення позитивних і негативних зарядів до анода і катода, при цьому здійснюється за рахунок к е a рекомбінації потенційних бар'єрів, що виникають на кордоні з'єднання середовищ з Р I N структурами (Фіг. 5). Для розуміння принципу роботи запропонованої паливної комірки розглянемо об'єм, до a якого введені два електроди, що виконані з напівпровідників, один з яких має провідність N к електронною, а другий Р - дірковою (Фіг. 5а). 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. Запропонований спосіб та пристрій реалізовано наступним чином. У початковому стані, (при розімкнутому зовнішньому електричному ланцюзі), на границях к е aР І N структури виникнуть два потенційних бар'єри за рахунок взаємного проникнення е к a е електронів з I -області в Р -область і з N -області в І -область (Фіг. 5а). При з'єднанні анода і катода зовнішнім електричним ланцюгом (Фіг 5б) потенційні бар'єри a відразу зникнуть, оскільки для електронів, що знаходяться в області N , відкриється шлях до к електрода з Р -провідністю через зовнішній ланцюг, що і приведе до створення струму. е Між негативно зарядженими частинками I -області і електродом, що має електронну a провідність N , потенційний бар'єр не виникає і заряди вільно передадуться з електроліту на к 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 (Фіг. 5в). Таке рішення дозволить суттєво спростити і здешевити прилад, підвищивши його ефективність. З другого боку, змінивши 2 UA 98283 C2 5 10 15 20 25 30 35 однонаправлений вентиль на керований напівпровідниковий комутатор, прилад зможе генерувати змінний електричний струм. При цьому: 1. Відпадає необхідність у використанні властивостей іонообмінних мембран; 2. Підвищується ефективність розділення зарядів і розведення їх до анода і катода шляхом використання природних властивостей напівпровідників; 3. Відпадає необхідність у високоточній обробці деталей комірки, створенні ламінарних потоків і обмеження за розміром відстані між анодом і катодом; 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 напівпровідниковій 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 електроліти використовувалася вода Чорного моря і водопровідна вода (міста Судак). При обох електролітах ЕДС PIN комірки була однаковою і рівною 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 запропонованого 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 різнихпроцесів. Допускається застосування різних способів комутації комірок. Запропонований спосіб поділу може застосовуватися при взаємодії будь-яких видів палив і при будь-яких електролітах. ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 1. Лідоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Електрохімічні генератори. - М., 1999. 2. Патент № 86811 України. Спосіб прямого одержання електричної енергії з електрохімічної реакції та пристрій для йо 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 йо реалізації /В.П. Кисельов та ін. МПК (2009) Н01М 8/00; Н01М 8/06. 4.Kyselov V.P.Membraneless fuel cells to obtain tltctric power of direct &alternating current from chemical & bioprocessеs. NASU Science and Innovation Tom 7+1+2011. 4. kv.minsk.by;Powered by Invision Power Board (http://www.invisionboard.comy 5. Invision Power Services (http://www.invisionpower.com. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. 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 здійснюють шляхом використання властивостей електропровідності PIN структури, яка к a складається з сукупності провідностей: катода провідністю Р , анода провідністю N і э електроліту з власною провідністю І . 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що процес розведення позитивних і негативних іонів з к э a електроліту до катода і анода здійснюють шляхом заміни P І N структури структурою, що має ті к м э м a м э м a к м э м ж властивості пропускання електронів по зовнішньому ланцюгу Р I І I N , I І I N і Р I І I . э 3. Паливна комірка, що містить об'єм, в якому знаходиться електроліт з власною провідністю І (або протікає реакція окиснення потоку палива окиснювачем, або йде біоелектричний процес), забезпечений анодом і катодом, які з'єднані зовнішнім електричним ланцюгом, що містить a кспоживач енергії, а анод і катод виконані з напівпровідникового матеріалу з N і Р провідностями відповідно, або для спрощення конструкції один чи обидва електроди анод і катод паливної комірки виконані з добре провідного матеріалу, а у зовнішній ланцюг включений напівпровідниковий діод, або для створення перемінного чи постійного струму анод і катод паливної комірки виконані з добре електропровідного матеріалу, а в зовнішній ланцюг 3 UA 98283 C2 включений керований напівпровідниковий комутатор, що забезпечує зміну напряму руху електронів у часі. 4 UA 98283 C2 5 UA 98283 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 6