ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2000 года по МПК H01M8/10 

Изобретение относится к области электрохимических устройств для прямого преобразования химической энергии в электрическую.

Более конкретно заявляемое изобретение относится к низкотемпературным (до 100^oC) и среднетемпературным (до 250^oC) источникам постоянного электрического тока и может быть использовано в автономных стационарных и транспортных генераторах электрической энергии.

В топливных элементах, предназначенных для работы при относительно низких температурах, используют принцип совместного использования электронных и ионных проводников в электрохимических цепях и принцип раздельной подачи окислительного и восстановительного потоков реагентов. Обычно ионные проводники представляют или жидкие ионные проводники (электролиты), или жидкие ионные проводники с наполнителями в пастообразной форме, или мембранные ионные проводники. Из-за невысокой интенсивности электрохимических реакций в таких топливных элементах требуется использование катализаторов. Главный недостаток катализаторов (обычно платина, палладий, серебро и сплавы на их основе) - их дороговизна.

Кроме того, по мере эксплуатации они подвергаются "отравлению". Для интенсификации электрохимических процессов и во избежание "отравления" катализаторов идут по пути повышения температуры и давления. Совершенно очевидно, что эти меры усложняют топливные элементы и требуют дополнительных затрат [1].

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство для получения электрической энергии, в котором осуществляют пару из сплошного положительного и газопроницаемого отрицательного электродов, разделенных полупроводниковым материалом с дырочной проводимостью и организовывают подачу гомогенной газовой смеси из окислительного и восстановительного реагентов в зону контакта поверхности полупроводника только с отрицательным электродом [2].

В упомянутом выше полупроводниковом топливном элементе используются по существу принципы, совершенно отличные от обычно используемых в топливных элементах принципа совместного использования электронных и ионных проводников в электрохимической цепи и принципа организации раздельных потоков окислительного и топливного газов. Это позволяет отказаться от дорогих катализаторов и использовать не раздельные потоки окислительного газа и топливного газа, а их смесь, причем со значительно меньшей долей топливного компонента по сравнению с используемыми соотношениями потоков окислительного и топливного газов в общепринятых топливных элементах. Очевидно, это ведет к значительному упрощению и экономичности.

Однако требование газопроницаемости отрицательного электрода усложняет технологию его изготовления. Кроме того, эффективность упомянутого топливного элемента недостаточно высока.

Цели изобретения:
- упрощение полупроводникового топливного элемента;
- повышение эффективности преобразования энергии.

Поставленные цели достигаются предлагаемым полупроводниковым топливным элементом, включающим пару электродов, полупроводниковый материал с дырочной проводимостью, сформированный на положительном электроде и размещенный между парой электродов, систему подачи гомогенной газовой смеси с окислительным и топливным компонентами в зону контакта поверхности полупроводника с отрицательным электродом, отличающимся тем, что оба электрода выполнены сплошными, причем положительный электрод полностью покрыт полупроводниковым материалом, кроме места электрического вывода, а отрицательный электрод окаймляет положительный электрод с полупроводниковым материалом через промежуток, кроме мест ввода рабочей газовой смеси и вывода отработанных газов.

Работа заявляемого полупроводникового топливного элемента основана на избирательном гетерогенном катализе окислительно-восстановительных процессов. Роль катализатора окислительных процессов играет поверхность полупроводникового материала с дырочной проводимостью. Окислитель, адсорбируясь на поверхности полупроводникового материала с дырочной проводимостью, "оттягивает" на себя электроны, что ведет к образованию в полупроводниковом материале тонкой приповерхностной зоны, обогащенной дырками. Частицы окислителя с "оттянутыми" электронами являются активными центрами адсорбции как для частиц окислителя, так и для частиц восстановителя. Поскольку и частицы окислителя, и частицы восстановителя электронейтральны, то их адсорбция на первично адсорбированные частицы окислителя приводит к дальнейшему "оттягиванию" уже "оттянутых" электронов в сторону от поверхности полупроводника, т.е. как бы к отдалению от полупроводника. Это отдаление "оттянутых" электронов может завершиться отрывом их от полупроводника с десорбирующимися комплексами частиц окислитель-окислитель-... или комплексами частиц окислитель-восстановитель-... Очевидно, эти десорбирующиеся комплексы отрицательно заряжены. Поскольку на поверхности полупроводника находятся еще не десорбировавшиеся (созревающие до десорбции) комплексы с отрицательными зарядами, то десорбировавшиеся отрицательные комплексы стремятся отдалиться от поверхности полупроводника. Это движение неизбежно наталкивает их на противоположный электрод, на котором одновременно происходит их разряд. От этого электрода электроны через электрическую нагрузку поступают к положительному электроду, на границе которого с полупроводниковым материалом рекомбинируют с дырками. Таким образом, электрохимическая цепь: исток электронов - полупроводниковый материал с дырочной проводимостью на границе с газом, "комплексопроводящий" промежуток между полупроводником и отрицательным электродом, электронный проводник с электрической нагрузкой к положительному электроду, сток электронов на границе раздела положительный электрод - полупроводник осуществляют направленное движение электронов через электрическую нагрузку, т.е. генерируют полезную электрическую энергию.

На чертеже представлен заявляемый полупроводниковый топливный элемент, где: 1 - положительный сплошной электрод, 2 - полупроводниковый материал с дырочной проводимостью, 3 - отрицательный сплошной электрод, 4 - разделительные барьеры из полупроводникового материала с дырочной проводимостью, 5 - электрический вывод, 6 - электрическая нагрузка, 7 - вход рабочей газовой смеси, 8 - выход отработанных газов.

Положительный сплошной электрод 1 полностью покрыт полупроводниковым материалом 2 с дырочной проводимостью, кроме места 5 электрического вывода. Отрицательный сплошной электрод 3 всесторонне окаймляет положительный электрод с полупроводниковым материалом через промежуток, организуемый разделительными барьерами 4 из того же полупроводникового материала 2. В направлении 7 (вход) подается гомогенная рабочая смесь из окислительного и топливного газов. В направлении 8 (выход) осуществляется вывод отработавших газов. Электроны от отрицательного электрода 3 поступают к положительному электроду 1 через электрическую нагрузку 6.

Положительный электрод может быть изготовлен из медной фольги. Полупроводниковый материал из закиси меди осуществляется предварительным окислением медной фольги. Отрицательный электрод может быть изготовлен из никелевой фольги. Возможно использование фольги и из нержавеющей стали.

В качестве окислителя используется воздух, кислород, перекись водорода и т. д. , а в качестве топливного газа - водород, угарный газ, углеводороды, спирты, гидразин и др.

Очевидно, что сплошной отрицательный электрод существенно упрощает устройство. Всестороннее покрытие полупроводниковым материалом положительного электрода по меньшей мере в два раза увеличивает эффективность преобразования энергии в расчете на один положительный электрод.

ЭДС полупроводникового топливного элемента составляет 500 - 700 мВ при плотности тока до 200 мА/см². Для получения требуемых напряжения и тока могут быть набраны соответствующие пакеты с последовательным и параллельным соединением заявляемых полупроводниковых топливных элементов.

Источники информации:
1. Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика. - М.: Энергоиздат, 1991, 265 с.

2. Патент РФ N2079934.

Топливный элемент, включающий пару электродов, полупроводниковый материал с дырочной проводимостью, сформированный на положительном электроде, систему подачи гомогенной газовой смеси с окислительным и топливным компонентами в зону контакта поверхности полупроводника с отрицательным электродом. Оба электрода выполнены сплошными, причем положительный электрод полностью покрыт полупроводниковым материалом, кроме места электрического вывода, а отрицательный электрод всесторонне окаймляет положительный электрод с полупроводниковым материалом через промежуток, кроме места ввода рабочей газовой смеси и вывода отработанных газов. Топливный элемент обладает повышенной эффективностью преобразования энергии и пониженной стоимостью. 1 ил.

Полупроводниковый топливный элемент, включающий пару электродов, полупроводниковый материал с дырочной проводимостью, сформированный на положительном электроде и размещенный между парой электродов, систему подачи гомогенной газовой смеси с окислительным и топливным компонентами в зону контакта поверхности полупроводника с отрицательным электродов, отличающийся тем, что оба электрода выполнены сплошными, причем положительный электрод полностью покрыт полупроводниковым материалом, кроме места электрического вывода, а отрицательный электрод всесторонне окаймляет положительный электрод с полупроводниковым материалом через промежуток, кроме мест ввода рабочей газовой смеси и вывода отработанных газов.