СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК H01M14/00 H01M16/00 

Изобретение относится к физико-химическим способам получения электрической энергии.

В химических способах электрическая энергия возникает в результате химического окислительно-восстановительного взаимодействия двух металлов, обладающих разнородными электродными потенциалами, которые помещают в раствор кислот, щелочей или солей этих металлов. Например, известен химический источник электрической энергии Якоби-Даниэля, в котором применяют цинк и медь, помещенные в растворы их солей. В результате окислительно-восстановительного взаимодействия металлов во всем объеме раствора химических веществ образуется электрическое поле свободных электронов, которые под действием разноименных потенциалов диффундируют и образуют электрический ток. (См. Н.Л.Глинка. "Общая химия", Ленинград, Издательство "Химия" Ленинградское отд., 1985 г., стр. 263-270).

В настоящее время в технике широко применяют сухие гальванические элементы, в которых также используют окислительно-восстановительное взаимодействие электродов. В этих элементах анод изготавливают из цинка, катод из оксидов металлов или активированного угля в смеси с графитом, поры которых заполнены воздухом. В качестве электролита используют густую пасту, содержащую раствор хлористого аммония или смесь хлористого аммония и щелочи натрия (Н. Л. Глинка, "Общая химия", Ленинград, Издательство "Химия" Ленинградское отд., 1985 г. стр. 601-602).

В технике применяют также физический способ получения электрической энергии. В этом способе получения источником электрической энергии является пара электродов, изготовленных из разнородных сплавов металлов. Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температуры в местах соединения этих проводников (Г. М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков "Теплотехнические измерения и приборы", Москва, Энергоиздат, 1984 г., стр. 24, рис. 5.1).

Современная физика объясняет термоэлектрические явления следующим образом.

Вследствие различных уровней Ферми у различных металлов при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. Каждый металл содержит в себе свободные электроны, концентрация которых зависит от температуры.

При наличии разности температур в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к образованию электрического поля. Общая термоэлектродвижущая сила слагается из суммы скачков потенциала в контактах (спаях) термопары и суммы изменений потенциала, вызванной диффузией электронов, и зависит от рода проводников и их температуры (Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С. Чистяков "Теплотехнические измерения и приборы", Москва, Энергоиздат, 1984 г., с. 24, рис. 5.1).

Источники термо-ЭДС нашли широкое применение для осуществления теплотехнических измерений и для создания контрольно-измерительных приборов.

Общим явлением в этих физических и химических способах получения электрической энергии является возникновение электрического поля свободных электронов во всей массе химических веществ в результате диффузии свободных электронов.

Этот вывод дает основание предположить, что любое химическое вещество, если оно обладает способностью создавать электрическое поле свободных электронов при изменении физико-химических условий, тогда это вещество можно использовать для создания электрического тока.

Исследованиями было установлено, что такими свойствами обладают полумерные металлоорганические соединения тантала и ниобия, а также их сополимер.

В состав полимерных металлоорганических соединений входит тантал, ниобий, кислород, углерод и хлор, а состав мономеров можно выразить формулой: Fa(Nb)O₅C₅Cl₁₅ • nCCl₄
(см. Патент РФ N 2033415 на изобретение "Способ получения металлоорганических соединений", кл. C 08 G 79/00, опубл. 20.04.95, БИ N 11). При нагревании твердых полимерных металлоорганических соединений тантала и ниобия или их сополимера до температуры, превышающей 131^oC, происходит расплавления, а затем распад полимерных металлоорганических соединений на отдельные маномеры.

Вследствие этого высвобождается большое количество электронов, которые образуют электрическое поле во всей массе жидкой фазы веществ. Однако это электрическое поле свободных электронов находится в электрически уравновешенном состоянии и никакого электрического потенциала не возникает.

Электродвижущая сила возникает, если в электрическое поле свободных электронов, образованное химическим источником электрической энергии, каким является расплав мономеров металлоорганических соединений, ввести термо-ЭДС физического источника, электрической энергии. Такой физико-химический способ получения электрической энергии я осуществил в лабораторных, условиях.

В качестве физического источника электрической энергии я использовал стандартную никельхром-никельалюминиевую (иначе хромельалюмелевую) термопару типа К (см. Г.М.Иванова, и др. "Теплотехнические измерения и приборы", М., Энергоиздат, 1984 г., стр. 27, табл. 5.1, стр. 28, табл. 5.2, стр. 29, табл. 5.3). В этом способе горячий спай электродов хромель-алюмелевой термопары я поместил в расплав мономеров металлоорганических соединений, а холодные концы электродов термопары присоединил к электроизмерительному прибору.

В исследовании в качестве электроизмерительного прибора использовал переносной потенциометр постоянного тока типа ПП-63 (см. справочник по электроизмерительным приборам. Под редакцией К.К.Илютина, Издательство "Энергия" Ленинградское отделение, 1973 г., стр.520, Потенциометры постоянного тока измерительные).

При нагревании полимерных металлоорганических соединений тантала, или ниобия, или их сополимера до температуры, превышающей 131^oC, при которой происходит распад полимерных соединений на отдельные мономеры, возникает электрическое поле свободных электронов, а в хромель-алюмелевой термопаре возникает термо-ЭДС. Общее напряжение электродвижущей силы физико-химического источника энергии, измеренное потенциометром постоянного тока ПП-63, значительно превышает предел измерений по его шкале, равной 100 мB, и стрелка прибора зашкаливает (см. Справочник по электроизмерительным приборам. Под редакцией К.К.Илюхина, Издательство "Энергия" Ленинградское отделение, 1973 г., стр. 520, Потенциометры постоянного тока измерительные).

При нагревании горячего спая электродов хромель-алюмелевой термопары открытым пламенем до температуры 1300^oC, термо-ЭДС хромель-алюмелевой термопары составляет 52, 398МВ (см. Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков. Теплотехнические измерения и приборы, Москва, Энергоиздат, 1984 г., стр. 28; табл. 5.2. Основные значения термоэлектродвижущей силы стандартных термопар при t₀ = 0 ^oC).

При нагревании горячего спая электродов хромель-алюмелевой термопары в расплаве мономеров металлоорганических соединений тантала или ниобия, нагретых до температуры, превышающей 131^oC, возникает термо-ЭДС, превышающая 100мВ.

Из этого следует вывод, что создан новый физико-химический способ получения электрической энергии.

Способ получения электрической энергии.

Я осуществил в специально изготовленном для этой цели реакторе, который представляет собой герметичный цилиндрический сосуд с отъемной крышкой, снабженный нагревающим устройством, приборами для измерения температуры и давления и оптическим устройством для визуального наблюдения за фазовыми превращениями твердых веществ при нагревании.

Для создания электрического потенциала в электрическом поле свободных электронов, которые возникли при разложении полимерных металлоорганических соединений тантала или ниобия, я использовал стандартную никельхром-никельалюминиевую (иначе хромель-алюмелевую) термопару типа К, открытый горячий спай электродов, который я поместил в расплав мономеров металлоорганических соединений.

В настоящее время я разработал конструкцию реактора, предназначенного для получения электрической энергии в промышленном масштабе. Подробное описание конструкции и принцип работы этого реактора я представил в заявке на изобретение "Реактор", которую я подготовил и направляю в Роспатент одновременно с этой заявкой на изобретение "Способ получения электрической энергии".

Пример: Способ получения электрической энергии осуществляют следующим образом.

Взвешивают 100 г твердых тел полимерных металлоорганических соединений тантала, или ниобия, или их сополимера. Эту навеску загружают в реактор, вместимостью 500 мл.

Крышку реактора закрывают и прочно закрепляют шпильками.

Холодные концы электродов хромель-алюмелевой термопары присоединяют к потенциометру постоянного тока типа ПН-63.

Включают нагревающее устройство и полимерные металлоорганические соединения тантала или ниобия нагревают до температуры, превышающей 131^oC, при которой полимерные металлоорганические соединения тантала и ниобия распадаются на отдельные мономеры.

Включают электрический потенциометр и измеряют напряжение общей электродвижущей силы, образованную химическими источниками электрической энергии и термоэлектродвижущей силой хромель-алюмелевой термопары.

При температуре 135^oC общая электродвижущая сила в физико-химическом способе получения электрической энергии превысила 100 мВ и стрелка прибора зашкалила.

Источники информации
1. Н.Л.Глинка. Общая химия, Ленинград, "Химия". Ленинградское отделение, 1985 г., стр. 263 - 270, стр. 601 - 602.

2. Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков. Теплотехнические изменения и приборы, Москва, Энергоиздат, 1984, г., стр. 24, рис. 5.1; стр. 27, табл. 5.1; стр. 28, табл. 5.2; стр. 29, табл. 5.3.

3. Справочник по электроизмерительным приборам. Под редакцией К.К.Илюнина, Издательство "Энергия" Ленинградское отделение, 1973 г., стр. 520. Потенциометры постоянного тока измерительные.

4. Патент РФ N 2033415 на изобретение "Способ получения металлоорганических соединений", кл. C 08 G 79/00, опубл. 20.04.95, БИ N 11.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для генерации электрической энергии. Техническим результатом изобретения является расширение методов получения электрической энергии. Согласно изобретению способ получения электрической энергии применяет химическое вещество и электроды из компактных разнородных металлов, помещенных в химическое вещество. При этом в качестве химического вещества применяют полимерные металлоорганические соединения тантала или ниобия или их сополимеры, в состав которых входит тантал, ниобий, кислород, углерод и хлор, которые помещают в стальной герметичный сосуд и нагревают до температуры, превышающей температуру распада полимерного соединения на отдельные мономеры, а в качестве электродов применяют термопару, горячий слой которой помещен в расплав металлоорганических веществ, а холодные спаи термопары располагают снаружи стального герметичного сосуда и они служат для присоединения потребителей электрического тока.

Способ получения электрической энергии, применяющий химическое вещество и электроды из компактных разнородных металлов, помещенных в химическое вещество, отличающийся тем, что в качестве химического вещества применяют полимерные металлоорганические соединения тантала или ниобия или их сополимеры, в состав которых входит тантал, ниобий, кислород, углерод и хлор, которые помещают в стальной герметичный сосуд и нагревают до температуры, превышающей температуру распада полимерного соединения на отдельные мономеры, а в качестве электродов применяют термопару, горячий спай которой помещен в расплав металлоорганических веществ, а холодные спаи термопары располагают снаружи стального герметичного сосуда и они служат для присоединения потребителей электрического тока.