Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МАМАЕВА А.И. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электрохимическим преобразователям, преимущественно к топливным элементам, преобразующим химическую энергию топлива в электрическую энергию.

Известен электрохимический преобразователь энергии [RU 2105395 C1, 1998], содержащий положительный и отрицательный электроды с камерами жидких реагентов и мембрану, отделяющую реагенты друг от друга.

Способ преобразования, реализуемый в данном устройстве, основан на постоянном взаимодействии реагентов, т.е токообразующие реакции происходят сразу при замыкании на внешнюю нагрузку, и впоследствии отсутствует управление реакциями.

Известен способ запуска низкотемпературной батареи топливных элементов, включающий заправку электролитом, подачу рабочих газов, разогрев электролита, включение нагрузки, при этом разогрев электролита осуществляют после заправки батареи электролитом и путем подключения внешнего источника переменного тока к силовым клеммам батареи с последующим его отключением, а нагрузку берут номинальную [SU 511772 A1, 1995].

К недостаткам можно отнести разовое инициирование электрохимической реакции, отсутствует постоянный контроль (мониторинг) и управление электрохимическими реакциями

Известна заявка [WO 0180340 А, 2001], выбранная в качестве прототипа для способа и устройства преобразования энергии, в которой раскрыта электрическая цепь для генерирования импульсов напряжения и подачи их на топливную ячейку. Задачей такой разработанной схемы является управление и контроль за электрохимическими процессами, происходящими в топливном элементе, преимущественно в топливном элементе, в котором в качестве топлива используются углеводороды. Схема управляет анодным потенциалом при сжигании углеводородов, с целью оксидирования вредных примесей в топливном элементе (дожиг СО).

К недостаткам прототипа можно отнести то, что данная схема управляет лишь частично электрохимическими реакциями, отсутствует полный контроль процесса.

Задача изобретения - разработать новый процесс преобразования химической энергии в электрическую, в основе которого лежит управление процессами, происходящими на границе раздела: топливо - электролит, за счет ее высоковольтной поляризации.

Технический результат - управляемый процесс образования окислителя в месте контакта топлива и электролита, что позволяет использовать в качестве топлива любые вещества, участвующие в окислительно-восстановительном процессе, например металлы, органические вещества, газы в сжиженном состоянии, и оптимизировать количество получаемой полезной энергии.

Еще один технический результат - управляемый процесс образования водорода в месте контакта топлива и электролита, за счет инициирования на границе раздела химических, электрохимических и плазмохимических реакций.

Дополнительным техническим результатом является безопасность эксплуатации топливных элементов.

Поставленная задача достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе преобразования химической энергии в электрическую энергию обеспечивают контакт топлива и электролита с образованием границы раздела в корпусе топливного элемента, а также контакта топлива и электролита с электродами.

Новым является то, что осуществляют высоковольтную поляризацию границы раздела путем подачи на электроды активирующих импульсов напряжения, при этом используют электролит, который до подачи активирующих импульсов не является окислителем по отношению к топливу.

Кроме того, высоковольтную поляризацию осуществляют активирующими импульсами напряжения, имеющими одну восходящую и одну нисходящую часть.

Кроме того, используют импульсы трапециевидной формы с амплитудой до 4000 В, частотой импульсов 50 Гц и длительностью импульсов не менее 10 мкс.

Кроме того, осуществляют либо анодную, либо катодную высоковольтную поляризацию границы раздела.

Кроме того, высоковольтную поляризацию осуществляют с возбуждением на границе раздела микроплазменных разрядов.

Кроме того, каждый следующий активирующий импульс подают на электроды при достижении минимально допустимого значения амплитуды тока на нагрузке, а затем осуществляют переключение электродов на нагрузку и соответственно при достижении минимально допустимого значения амплитуды тока на нагрузке вновь подают активирующий импульс.

Кроме того, осуществляют отбор части электрической энергии, получаемой на нагрузке, и использование ее для формирования активирующего импульса.

Кроме того, осуществляют накопление энергии и подачу ее на нагрузку.

Кроме того, в качестве одного из электродов - анода используют электрод, выполненный из металла (например, алюминия, титана, магния, циркония, стали), углерода и других, способных при окислении растворяться с выделением энергии.

Кроме того, в качестве электролита используют водный раствор солей, кислот или щелочей.

Кроме того, в качестве топлива используют любые органические вещества, способные участвовать в окислительно-восстановительном процессе, например бензол, толуол и другие углеводородные соединения.

Кроме того, для образования границы раздела жидкого топлива и электролита используют мембрану.

Поставленная задача достигается также тем, что, как и известное, предлагаемое устройство преобразования химической энергии в электрическую, предназначенное для осуществления способа, описанного выше, содержит, по крайней мере, один топливный элемент и, по крайней мере, один генератор импульсов напряжения, соединенный с электродами топливного элемента.

Новым является то, что оно дополнительно содержит блок формирования и подачи активирующих импульсов, выход которого соединен с электродами топливного элемента.

Кроме того, вход блока формирования и подачи активирующих импульсов может быть соединен с нагрузкой.

Кроме того, устройство дополнительно содержит блок накопления энергии от нагрузки, выход которого соединен с блоком формирования и подачи активирующих импульсов, а вход предназначен для соединения с нагрузкой.

Кроме того, устройство содержит датчик нагрузки, включенный между нагрузкой и блоком формирования и подачи активирующих импульсов для контроля минимально допустимого значения тока на нагрузке.

Кроме того, устройство дополнительно содержит средства для сглаживания тока перед подачей его на нагрузку, включенные между нагрузкой и электродами топливного элемента.

Кроме того, топливный элемент содержит последовательно соединенные и размещенные в корпусе катод в контакте с электролитом, мембрану, разделяющую электролит и топливо, и катод в контакте с топливом.

Кроме того, топливный элемент содержит последовательно соединенные и размещенные в корпусе катод в контакте с топливом, мембрану, разделяющую топливо и электролит, и анод в контакте с электролитом.

Кроме того, топливный элемент, содержит корпус с жидким электролитом, в котором размещены катод и расходуемый анод.

Кроме того, топливные элементы соединены между собой либо последовательно, либо параллельно.

Целесообразно, что корпус топливного элемента выполнен из неэлектропроводного материала.

Кроме того, устройство содержит средства хранения и подачи топлива и электролита к каждому топливному элементу, систему циркуляции, очистки и охлаждения топлива и электролита, систему отвода продуктов электрохимической реакции.

Электрохимические преобразователи, как правило, имеют анод, катод и электролит. Типичным примером электрохимического преобразователя является топливный элемент. Обычный топливный элемент содержит один электролит (окислитель), который разделяют два электрода, один из которых - окислительный образует первую границу раздела (электрод - окислитель (электролит)) и второй электрод образует границу раздела с электролитом, который одновременно находится в контакте с топливом.

Проблема топливных элементов - небезопасность из-за постоянного контакта окислителя и топлива, т.е. вероятность возникновения неуправляемых электрохимических реакций.

В настоящем изобретении предлагается использование видов топлива и электролита (окислителя), которые при контакте не вступают в реакции, а именно токообразующие реакции. Для инициирования реакции предлагается использовать импульсное напряжение, поляризующее границу раздела: топливо - электролит и приводящее к возникновению и течению электрохимической реакции. При этом предлагается высоковольтная поляризация границы раздела до 4000 В, именно использование высоковольтной поляризации позволяет использовать в топливных элементах новую совокупность материалов, используемых в качестве топлива и окислителя.

Продемонстрируем химизм процесса получения электрической энергии на примере «сжигания» металлического электрода. При анодной поляризации (на электрод, служащий в качестве топлива, подается положительный потенциал) на электроде, погруженном в водный раствор электролита, активируются следующие химические и электрохимические процессы.

1. Процесс окисления металла по электрохимическому механизму:

Ме+Н₂O→МеО_n+Н²↑.

Если процесс сопровождается микроплазменными разрядами, то также в плазме образуются локальные зоны на поверхности металла с высокой температурой. Такая часть разогретого металла реагирует с водой по химической реакции:

Ме+Н₂O→МеО_n+Н_адс+Н_адс,

где Н_адс - адсорбированный водород.

Т.е. активирующий импульс способствует преобразованию металла с получением адсорбированного водорода.

2. При активировании на поверхности электрода начинают протекать также электрохимические процессы разложения воды:

2OН^--е=Н₂О+(1/2)O₂.

Концентрация ОН^- на поверхности равна нулю, так как весь ОН^- реагирует по приведенной выше реакции. После выключения активирующего импульса концентрация ОН^- в приэлектродном слое выравнивается с объемной концентрацией и происходит токообразующая реакция:

Н_адс+ОН^--2е=Н₂O.

Таким образом, активирующий импульс подготавливает топливо для токообразующей реакции и приводит к тому, что идут процессы получения адсорбированного водорода Н_адс и окислителя, реализуются два типа параллельных реакций - получение топлива и окислителя.

Продемонстрируем химизм процесса получения электрической энергии на примере топливного элемента с использованием системы двух несмешивающихся жидкостей. При высоких напряжениях образуется пробой барьерного слоя, возникающего на границе двух несмешивающихся фаз. При пробое в жидкостях образуются радикалы ОН^- в слое, прилегающем к границе раздела фаз. Радикалы ОН^- и R^- образуются в том месте, где произошел разряд. Таким образом, разряд стимулирует процесс образования топлива, причем в том месте, где происходят токообразующие реакции. Процесс образования топлива можно продемонстрировать химической реакцией:

С_nН_m→С_nН_m-i+iH.

Кроме этого, в процессе подачи импульса и появления микроплазменных разрядов на границе раздела фаз происходит образование ОН^- группы.

При отключении водород реагирует с ОН^- с образованием воды и получением электрической энергии:

Н+ОН^--е→Н₂O.

Если при активирующем импульсе поверхностная концентрация равна нулю и идут электрохимические процессы:

2OH^--2e→H₂O+(1/2)O₂,

то при отключении подачи импульсов поверхностная концентрация за счет ее диффузионного выравнивания с объемной увеличивается, что способствует получению электрической энергии.

В процессе электрохимического или плазменного активирования органического или «металлического» топлива возможно появление нестабильных органических соединений или радикалов, которые могут реагировать по схеме окисления с получением энергии. Для доказательства существования приведенных выше параллельных реакций активирования топлива и получения окислителя является выполненный анализ газов. В состав газов на аноде входит водород, кислород и азот в соотношении 33,3%:33,3%:33,3%. Азот не содержался в топливе и, по нашему мнению, является азотом, растворенным в воде и выходящим из воды.

Количество энергии, полученной в результате работы топливного элемента на нагрузке, обозначим Qн, а количество энергии, затраченной на образование окислителя в барьерной пленке, Qз.

Количество полезной энергии, полученной в результате работы, определяется соотношением

Qп=Qн-Qз.

Если импульс напряжения представляет собой равнобедренный импульс, то t₁=t₄-t₃.

В этом случае:

Qп=t₁·(Iн-Iз).

Экспериментальные исследования вольт-амперных зависимостей проводили на информационно-измерительном комплексе - компьютерная система измерения (КСИ) электрических параметров [RU 2284517 C1, 2006], позволяющем получать вольт-амперные зависимости на возрастающей и убывающей части трапециевидного импульса напряжения (фиг.4).

Циклические вольт-амперные зависимости задающего тока (I₁) и полученного тока (I₂) приведены на фиг.5.

Циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии приведены на фиг.6.

Циклические вольт-амперные зависимости, полученные на границе раздела различные водные растворы электролита и органическая фаза, приведены на фиг.7 (а и б).

Из фиг.5-7 видно, что количество затраченной энергии меньше количества полученной.

Используя новый прием, а именно активирование границы раздела топливо - электролит высоковольтным импульсом напряжения с возникновением электрохимических и/или плазмохимических процессов, приводящих к получению окислителя на границе раздела фаз, удается получить электрическую энергию, как используя систему: водный раствор электролита - твердое тело (расходуемый металл, например алюминий, сталь, углерод), так и систему: водный раствор электролита - органическая жидкость (углеводородные материалы). Электрическая энергия получается при осуществлении переключения на нагрузку при достижении максимума напряжения на нагрузке.

При выборе водного электролита необходимо основываться на том, чтобы он был индифферентным, т.е. его компоненты не расходовались в процессе работы. Другой особенностью выбора водного электролита при работе с твердыми и жидкими электродами (топливом) является то, что продукты электродных реакций не должны сопровождаться выделением веществ, накапливающихся на поверхности твердого электрода или на границе несмешивающихся фаз. В этом случае продукты реакции приведут к увеличению сопротивления топливного элемента и уменьшению отдаваемого тока. При использовании в качестве топлива бензола в топливный элемент в качестве электролита подавали водные растворы КОН, KF и KCl, в случае же использования толуола в качестве электролита подавали Н₃PO₄, КОН, KF и KCl.

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять передачу получаемой полезной энергии на нагрузку и осуществлять формирование активирующих импульсов как первоначального (источник питания), так и последующих (блок формирования и подачи активирующих импульсов формирует частоту, длительность и амплитуду). В случае необходимости остановки процессов, происходящих в топливном элементе, отключают подачу активирующих импульсов. В этом случае топливный элемент прекращает вырабатывать электрическую энергию. Перед подачей тока на нагрузку возможно накопление энергии и предварительное сглаживание (выпрямление) тока, поэтому устройство в конкретном его исполнении должно содержать средства для накопления и сглаживания тока перед подачей его на нагрузку.

Такое накопление может осуществляться в аккумуляторах либо в конденсаторных блоках, причем в момент подачи активирующего импульса на топливный элемент нагрузка отключена, а после активирования процесса для получения электрической энергии подключается накопитель для накопления энергии, которая пойдет для активации топливного элемента в следующий импульс и нагрузку.

Количество электрической энергии, вырабатываемой топливным элементом, регулируется частотой следования импульсов и амплитудой задаваемого напряжения активирующего импульса, эта функция реализуется блоком формирования и подачи активирующих импульсов.

В дальнейшем изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых представлены:

Фиг.1 (а и б) - схематичные варианты топливного элемента с границей раздела двух несмешивающихся фаз.

Фиг.2 - схематичный вариант топливного элемента с границей раздела: твердое тело - электролит.

Фиг.3 - функциональная схема управления системой топливных элементов.

Фиг.4 - форма активирующего импульса напряжения.

Фиг.5 - циклические вольт-амперные зависимости задающего тока (I₁) и полученного тока (I₂).

Фиг.6 - циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии.

Фиг.7 - циклические вольт-амперные зависимости, полученные на границе раздела: водная и органическая фаза.

Фиг.8 рабочие диаграммы работы системы топливных элементов.

Для реализации способа возможно использование следующих трех вариантов топливных элементов.

На фиг.1а приведен вариант топливного элемента, содержащего последовательно соединенные и размещенные в корпусе 1 катод 2 в контакте с электролитом 3, мембрану 4, анод 5 и топливо 6.

На фиг.1б приведен вариант топливного элемента, содержащего последовательно соединенные и размещенные в корпусе 1 катод 2 в контакте с топливом 6, мембрану 4, анод 5 и электролит 3.

На фиг.2 приведен вариант топливного элемента, который содержит корпус 1, катод 2 и анод 5, оба размещенные в электролите 3. В данном варианте анод используют в качестве топлива.

На фиг.3 приведена блок-схема устройства на примере включения одного топливного элемента, конструктивно выполненного, как приведено на фиг.1а, и вырабатывающего электрическую энергию на границе двух несмешивающихся жидкостей (фаз). Корпус 1 топливного элемента выполнен из неэлектропроводного материала для предотвращения утечек тока через корпус.

В корпусе 1 размещены: катод 2 в контакте с электролитом 3, средства его хранения 7 и подачи (например, фильтр 8 и насос 9) и анод 5 в контакте с топливом 6. Устройство также содержит средства хранения топлива 10 и подачи топлива 11, 12 (например, фильтр 11 и насос 12). Корпус 1 выполняли из кварцевого стекла (может быть выполнен из любого другого неэлектропроводного материала).

Для генерирования активирующих импульсов напряжения устройство содержит импульсный источник питания 13, блок формирования и подачи активирующих импульсов 14 для высоковольтной поляризации границы раздела, выполненные с возможностью присоединения к электродам топливного элемента 2 и 5, а также содержит блок накопления энергии от нагрузки 15 с датчиком нагрузки 16, вход которого соединен с нагрузкой, а выход с блоком формирования и подачи активирующих импульсов 14 и блоком накопления энергии от нагрузки 15, датчик нагрузки 16 служит для подачи сигнала о формировании каждого последующего активирующего импульса на электроды 2 и 5, блок выпрямления (сглаживающее устройство) 17, служащее для преобразования выработанного импульсного тока в постоянный, вход которого соединен с электродами топливного элемента, а выход с нагрузкой, блок управления 18 соединен с блоком 13, 14, 15 и 17 и датчиком нагрузки 16.

Блок 14 содержит средства, регулирующие амплитуду, частоту и длительность активирующих импульсов.

Устройство содержит систему отвода продуктов электрохимической реакции, систему циркуляции, очистки и охлаждения топлива и электролита (на схеме не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Пример. 1

Для активации границы раздела двух несмешивающихся жидкостей (топлива 6 и электролита 3) на электроды 2 и 5 подается импульс напряжения, выработанный блоком накопления 15 через блок формирования 14 или первоначальный, формируемый импульсным источником питания 13. В первом случае частота, длительность и амплитуда импульсов задаются блоком 14. Порядок включения блоков 13, 14, 15 и 17 и датчика нагрузки 16 определяет блок управления 18. Диаграмма следования импульсов напряжения приведена на графике фиг.8а. Импульсы напряжения имеют трапециевидную форму с амплитудой до 4000 В, частотой импульсов 50 Гц, благодаря первому импульсу активируется (поляризуется) граница раздела (в данном примере мембрана 4): топливо 6 - водный раствор электролита 3. Диаграмма потребления тока, соответствующая подаваемым импульсам напряжения, приведена на фиг.8в. В момент от 0 до t₁ происходит активация границы раздела фаз и накапливается окислитель. Например, ионы кислорода из воды, которые взаимодействуют с топливом и производят электрическую энергию, т.е. на границе раздела начинаются токообразующие реакции и происходит сжигание (окисление) топлива 6, причем в этот момент нагрузка отключена. В момент достижения максимального значения напряжения t₁ блок 18 отключает источник питания 13 (или блок 14) и отключает накопитель 15 от электродов 2 и 5 и подключает их к сглаживающему устройству 17 и к нагрузке (Н). Временная диаграмма подключения нагрузки, которую формирует блок 14, приведена на фиг.8б. Окислитель расходуется и величина тока падает - участок А-В диаграммы нагрузки на фиг.4. Для доставки окислителя 3 необходим новый импульс. Перед началом следующего активирующего импульса в момент t₂ нагрузка отключается.

За период времени подключения сглаживающего устройства 17 к электродам 2 и 5 по системе проходит электрический ток. Диаграмма полученной энергии устройством 17 приведена на фиг.8г. Импульсы тока сглаживаются и идут на нагрузку (Н).

Насосы 11, 8 и фильтры 12, 9 работают постоянно или периодически, обеспечивая очистку топлива и окислителя.

Если в качестве топлива 6 использовали бензол, то в качестве электролита 3 подавали водный раствор КОН. Циклическая вольт-амперная зависимость, полученная на границе раздела: бензол - КОН приведена на Фиг.7.

Пример.2

Активировали границу раздела с топливным элементом, приведенным на фиг.2, который содержит корпус 1, катод 2 и анод 5, оба размещенные в электролите 3. В данном варианте анод используют в качестве топлива. Использовали пластины из алюминия и магния площадью 5,1 см². В качестве электролита использовали 4 компонентный фосфатно-боратный электролит. Циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии представлены на фиг.6.

Для расчета высвобождаемой энергии по вольт-амперным зависимостям, приведенным на фиг.6 и фиг.7, проводили интегрирование параметров и определяли разницу между количеством затрачиваемой и получаемой энергии, вычисленные значения энергии приведены в таблице.

Таким образом, новизна изобретения заключается в том, что для получения окислителя, инициирования процессов окисления топлива и получения топлива нами предложено использовать высоковольтные импульсы напряжения, подаваемые на электроды топливного элемента по мере расходования окислителя. Нет необходимости в доставке к поверхности металлического электрода или границе раздела двух жидкостей окислителя, поддержанию концентрации окислителя в топливном элементе. Это значительно упрощает работу топливного элемента, уменьшает количество вспомогательных устройств (насосов по перекачиванию окислителя, устройств по поддержанию концентрации окислителя на одном уровне), уменьшает затраты на приобретение окислителя, уменьшает энергозатраты на вспомогательные операции, перечисленные выше при работе топливного элемента.