ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H01M12/06 

Объект изобретения по своим характеристикам на порядки превосходит все известные на сегодня химические источники тока (в том числе, и натрий-серные аккумуляторы), приближаясь к углеводородным топливам. Может использоваться везде, где требуется мощный автономный источник электрической энергии. Основная область применения - экологически чистый транспорт на электрической тяге.

Прямое устройство представляет собой химический источник тока, поскольку энергия выделяется в результате протекания химических реакций. При работе элемента расходуются кислород воздуха и материал анода, в результате образуются соединения анодного вещества. Это указывает на сходство с топливным элементом. Однако все известные группы гальванических элементов всегда подразумевают наличие того или иного электролита. В совокупности признаков предлагаемого устройства электролит отсутствует. Следовательно, прямых аналогов и прототипов нет. Отдаленными аналогами можно считать все химические элементы.

Традиционным материалом растворимых анодов первичных элементов является цинк. Иногда применяют магний. Более активные металлы бурно разлагают воду, и с водными электролитами не применяются. Серийно выпускаются только миниатюрные литиевые элементы (с неводным электролитом). Основное ограничение параметров источников тока - количество и качество окислителя (деполяризатор). Обычно запас окислителя находится непосредственно в элементе, увеличивая его массу. Исключением является элемент цинк/воздух, окисляемый прямо из воздуха. Но и здесь не удается получить приемлемые показатели по удельной емкости, ограниченные запасом цинка и электролита. Большие надежды у разработчиков источников тока связаны с натрий/серными аккумуляторами. Действительно, у лабораторных образцов удается получать неплохие показатели и по мощности и по удельной емкости. Однако ряд причин не позволяет до сих пор наладить их массовое использование. Первая из них - высокая рабочая температура (300-350^oC). Это обстоятельство требует постоянно иметь вокруг элемента устройство по достижению и поддержанию такой температуры, что значительно увеличивает общий вес источника тока. Вторая причина более серьезная - низкая прочность и малый ресурс конструкционных элементов при такой температуре. Особую трудность в этом плане представляет твердый электролит, разделяющий жидкие анод и катод. Однако даже при решении этой проблемы вряд ли можно будет надеяться на приемлемую стоимость источника тока.

Что касается топливного элемента, то энтузиазм разработчиков таких устройств, имевший место в начале нашего века, сильно остыл уже с его середины. Окисление всех классических топлив с приемлемыми скоростями удается проводить только при высоких температурах. А здесь встают те же проблемы, что и у натрий/серных аккумуляторов. Кроме того, элементы имеют достаточно сложные системы автоматики для поддержания рабочих режимов, и дорогие в производстве электроды, ресурс работы которых весьма невысок и при низких температурах ("отравление", поляризация, засорение пор). Единственным топливом, хорошо работающим уже при комнатной температуре, оказался водород. Однако скорость его окисления все равно недостаточно для транспортных средств. Кроме того, трудности хранения водорода оказываются фатальными.

Идея изобретения очень проста. Известно, что все активные металлы, например калий восстанавливают окислы более инертных металлов, например, меди, с переходом кислорода к активному металлу:
2•K+CuO __→ K₂O+Cu 1.
При этом кислород обязан захватывать с собой электроны. Следовательно, в реакции 1 можно получить разность потенциалов, если зону контакта сразу разносить. Такой механизм легко осуществить скольжения анода по вращающемуся катоду. Если расчитать термодинамические напряжения для различных сочетаний оксидов меди и калия, то максимальное значение оказывается равным 1, 12 В. Однако в эксперименте без особого труда удается наблюдать напряжение 2,3 В. Эта величина больше подходит для реакции прямого окисления калия сорбированным на катоде кислородом:
K+O₂ __→ KO₂ 2.
Изменение свободной энергии Гиббса в реакции 2: G = -240 кДж/моль. Расчетная разность потенциалов: U = -G/F = 2,49 В (F -число Фарадея). Кислород сорбируется, вероятно, без разрушения молекул, каждая из которых переносит только один электрон. Оксиды меди сами в реакции не участвуют. Можно утверждать, что найдется еще немало соединений, способных сорбировать и отдавать кислород для обеспечения реакции 2, т.е., применение меди в качестве катода не является существенным признаком данного изобретения. Образующийся оксид калия на воздухе быстро превращается в карбонат K₂CO₃.

Вариант устройства предлагаемого элемента изображен на фиг.1. В качестве анода 1 используется некоторый щелочной металл или сплав, условно обозначенный на рисунке буквой М. Катод 2 выполнен в виде вращающегося цилиндра, прикасающегося к аноду. В точках касания катод отдает сорбированный на его поверхности кислород. За зоной контакта образуются продукты реакции. По мере расходования анод опускается (или стекает) вниз. Необходимо отметить уникальность и некоторую парадоксальность данной конструкции. Формально анод и катод находятся в контакте, т.е. элемент закорочен внутри. Однако именно этот контакт не закорачивает ток, а создает его. Некоторую аналогию можно усмотреть с термопарой, где разность потенциалов тоже создается в зоне контакта. В данном изобретении удобнее иметь жидкий анод, например сплав Na-K, который подается к щели у катода и, по существу, является жидким топливом. Эвтектика Na-K застывает при температуре -12,6^oC. Хранение и транспортировка такого топлива вполне решаемая задача. Цистерны и канистры должны иметь специфическую конструкцию, создающую над поверхностью сплава защитную газовую пробку из водорода. В качестве топлива можно также попробовать тройной сплав Li-Na-K, который может оказаться более удобным и должен обеспечивать еще более высокие удельные характеристики.

На фиг. 2 приведена нагрузочная характеристика элемента K/O при скорости скольжения 4 мм/с. Здесь же пунктиром дана нагрузочная характеристика свинцового аккумулятора, одного из лидеров по удельной мощности среди источников тока. Соотношение кривых на графике не нуждается в комментариях. Известно, что сплав Na-K обладает гораздо большей активностью, что отдельно Na и K. Следовательно, для него нужно ожидать еще более высокие значения плотности тока. В таблице приведены средние удельные энергоемкости различных элементов в сравнении с объектом изобретения и полезная энергоемкость бензина (с учетом к.п.д. внутреннего сгорания):
Из приведенных данных следует, что объект изобретения и по удельной энергоемкости значительно превосходит все известные элементы, лишь немного уступая бензину.

Новизна изобретения заключается в использовании эффекта, ранее не наблюдавшегося. Катоды, сорбирующие кислород воздуха, известны. Окисление электродов в растворах электролитов кислородными ионами - тоже известное явление. Однако, по моим сведениям, до сих пор не наблюдали эффект передачи заряжения ионов аноду при его контакте с сорбирующим кислород катодом. Этот процесс можно характеризовать как контактное окисление.

Положительный эффект изобретения включает несколько составляющих. Основные преимущества обусловлены отсутствием электролита. Во-первых, это позволяет использовать щелочные металлы. Во-вторых, гарантирует отсутствие внутреннего сопротивления элемента. Высокая активность щелочных металлов, в свою очередь, определяет рекордные показатели по удельной мощности и энергоемкости. Конечные продукты реакции - карбонаты щелочных металлов - удобно использовать для восстановления топлива. При случайном попадании этих веществ в природную среду они не могут вызвать экологических нарушений. Немаловажным положительным фактором является простота устройства. Элемент не требует ни особых технологий, ни дорогих материалов, ни устройств автоматики.

По поводу формулы изобретения нужно сказать следующее. Из описания устройства элемента может показаться, что вращение катода является необходимым признаком формулы. Однако нетрудно убедиться, что в таком виде этот признак легко обойти. Например, катод может совершать колебательные движения. Применение в качестве анода жидкого сплава позволяет обойтись вообще без движения электродов (перемещаться может перегородка с прорезями и каналами для воздуха, расположенная между анодом и катодом). Предлагаемая ниже формула не слишком расширительна и надежно защищает основную идею изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве химических источников тока. Источник тока, согласно изобретению, содержит катод, способный поглощать кислород и анод из щелочного металла или его сплавов, соприкасающийся у катодом с возможностью перемещения точек касания. 2 ил, 1 табл.

Химический источник тока, содержащий катод, способный поглощать кислород, и анод из щелочного металла или его сплавов, отличающийся тем, что анод соприкасется с катодом с возможностью перемещения точек касания.