КИСЛОТНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕМБРАННЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2006 года по МПК H01M10/36 H01M6/24 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ: В качестве источника электрической энергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ: Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - меди, погруженной в раствор серной кислоты, или из углерода (графита), погруженного в раствор йодистоводородной кислоты, и положительного электрода, целиком изготовленного из диоксида свинца, либо из диоксида свинца, нанесенного на достаточно инертную электронопроводящую подложку из свинца, титана или изготовленного из платинированного титана или ниобия, погруженного в раствор, состоящий из смеси двух кислот - серной и хромовой, либо в раствор серной кислоты. Положительный и отрицательный электрод вместе с соответствующим электролитом отделены друг от друга с помощью химически стойкой перфторированной катионообменной мембраны типа "Нафион", "МФ-4-СК". Катодное и анодное пространство собраны в едином корпусе.

В процессе разряда кислотного комбинированного мембранного аккумулятора на аноде протекают реакции:

выделившийся йод растворяется в избытке йодид-ионов по реакции:

Одновременно с этим на катоде протекает реакция восстановления шестивалентного хрома и диоксида свинца:

Использование электрода из диоксида свинца позволяет провести обратный процесс - окисление трехвалентного хрома в шестивалентный, т.е. зарядить аккумулятор (реакции (3), (3а) и (3б) пойдут справа налево). При заряде аккумулятора реакции (1), (1a), (2) и (2а) легко идут справа налево без протекания побочной реакции выделения водорода, что позволяет анодное пространство выполнить герметичным.

Из уравнения (3а) видно, что восстановление шестивалентного хрома в виде хромовой кислоты (раствора хромового ангидрида) приводит к значительному расходу катионов водорода. Более того, из уравнения (3б) и (4) видно, что количество ионов водорода, которое высвобождается из серной кислоты, расходующейся с образованием сульфата хрома (свинца), недостаточно, и требуется дополнительное количество катионов водорода. Это недостающее количество обеспечивается за счет миграции катионов водорода, высвобождающихся в результате протекания реакции (1а) и (2а). Использование йодистоводородной кислоты в качестве восстановителя по сравнению с медью хотя и приводит к снижению ЭДС аккумулятора (примерно на 0,536-0,345=0,191 В, а также к уменьшению теоретической удельной энергии за счет уменьшения ЭДС, увеличения молекулярной массы веществ, вступающих в электрохимическую реакцию окисления и снижения числа электронов с двух до одного в реакции окисления восстановителя при прочих равных условиях), однако имеет определенные преимущества:

- использование более концентрированного раствора йодистоводородной кислоты, предельная концентрация которой составляет 70 мас.% (10,9 моль/л), что превосходит предельную концентрацию сульфата меди - 17,2 мас.% (примерно 1,27 моль/л или 2,55 моль·экв/л) и позволяет уменьшить массу используемого растворителя - воды,

- высокая электропроводность (т.к. йодистоводородная кислота - одна из самых сильных кислот), слабо уменьшающаяся в процессе разряда, т.к. концентрация йодистоводородной кислоты в свежезаряженном аккумуляторе может быть очень большой, а концентрация серной кислоты будет ограничена пределом растворимости получающегося продукта реакции - сульфата меди, выпадение в осадок которого может привести к экранированию медного анода,

- продукт реакции - свободный йод хорошо растворим в избытке йодид-ионов, вплоть до образования соединения I₉ ^-,

- анион йодистоводородной кислоты - йодид-ион, в отличие от сульфат-иона, принимает непосредственное участие в электрохимической реакции окисления, т.е. является восстановителем, что позволяет не вводить дополнительные катионы (например, катионы меди путем использования медного анода) для связывания высвобождающихся сульфат-ионов в силу осуществления правила электронейтральности раствора (суммарный заряд всех содержащихся в растворе катионов и анионов равен нулю).

ИЗОБРЕТЕНИЕ ОТНОСИТСЯ к вторичным химическим источникам тока и касается способа получения комбинированного мембранного аккумулятора.

Известен наиболее близкий к предлагаемому изобретению электрохимический элемент [1, 2].

ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ является разработка нового типа мембранного аккумулятора - кислотного комбинированного мембранного аккумулятора.

Комбинированный аккумулятор собран в едином корпусе из пластмассы или из иного химически стойкого материала, предусматривающем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов.

Данный аккумулятор отличается от известных ранее аккумуляторов:

- от свинцовых - кислотный комбинированный мембранный аккумулятор с йодистоводородной кислотой позволяет ее использовать в качестве восстановителя, при этом анод изготовляется из угля (графита) или углеродной ткани, имеющей значительно большую поверхность и меньшую плотность, чем свинец. Применение меди позволяет уменьшить плотность и молекулярную массу, а также увеличить электропроводность анода,

- от ранее известных прототипов [1, 2] - использование другого принципа работы - в кислотном мембранном аккумуляторе при использовании медного анода - перенос тока внутри аккумулятора при его разряде осуществляется преимущественно катионами водорода, что обеспечивает максимальную электропроводность. Сочетание нескольких функций йодистоводородной кислоты в кислотном комбинированном аккумуляторе: высокая электропроводность, использование высокой (до 70 мас.%) концентрации (т.е. использование минимального количества растворителя воды, избыток которой, как известно, при прочих равных условиях снижает удельную энергию аккумулятора), как источник катионов водорода и как восстановитель, растворяющий продукт окисления - свободный йод, что препятствует экранированию анода.

Источники информации

1. Патент RU 2131633, 1999.

2. Патент RU 2239260, 2004.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении кислотного комбинированного аккумулятора, в котором электроды, погруженные каждый в свой электролит, разделены химически стойкой перфторированной катионной мембраной. В первых двух вариантах отрицательный электрод аккумулятора выполнен из меди, погруженной в раствор серной кислоты, а во вторых двух вариантах - из углерода, погруженного в раствор йодистоводородной кислоты. Техническим результатом изобретения является разработка нового типа мембранного аккумулятора - кислотного комбинированного мембранного аккумулятора. 4 н.п. ф-лы.

1. Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор содержит электролиты, электроды и ионообменную мембрану, катодное и анодное пространство аккумулятора собраны в едином корпусе и отличается тем, что кислотный комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - меди, погруженной в раствор серной кислоты, и положительного электрода, изготовленного из диоксида свинца, либо из диоксида свинца, нанесенного на инертную электронопроводящую подложку из свинца, титана, или изготовленную из платинированного титана или ниобия, погруженного в раствор, состоящий из смеси двух кислот - серной и хромовой, положительный и отрицательный электрод вместе с соответствующим электролитом отделены друг от друга с помощью химически стойкой перфторированной катионообменной мембраны, типа "Нафион" или "МФ-4-СК".2. Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор содержит электролиты, электроды и ионообменную мембрану, катодное и анодное пространство аккумулятора собраны в едином корпусе и отличается тем, что кислотный комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - меди, погруженной в раствор серной кислоты, и положительного электрода, изготовленного из диоксида свинца, либо из диоксида свинца, нанесенного на инертную электронопроводящую подложку из свинца, титана, или изготовленную из платинированного титана или ниобия, погруженного в раствор серной кислоты, положительный и отрицательный электрод вместе с соответствующим электролитом отделены друг от друга с помощью химически стойкой перфторированной катионообменной мембраны, типа "Нафион" или "МФ-4-СК".3. Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор содержит электролиты, электроды и ионообменную мембрану, катодное и анодное пространство аккумулятора собраны в едином корпусе и отличается тем, что кислотный комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - углерода, погруженного в раствор йодистоводородной кислоты, и положительного электрода, изготовленного из диоксида свинца, либо из диоксида свинца, нанесенного на инертную электронопроводящую подложку из свинца, титана, или изготовленную из платинированного титана или ниобия, погруженного в раствор серной кислоты, положительный и отрицательный электрод вместе с соответствующим электролитом отделены друг от друга с помощью химически стойкой перфторированной катионообменной мембраны, типа "Нафион" или "МФ-4-СК".4. Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор содержит электролиты, электроды и ионообменную мембрану, катодное и анодное пространство аккумулятора собраны в едином корпусе и отличается тем, что кислотный комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - углерода, погруженного в раствор йодистоводородной кислоты, и положительного электрода, изготовленного из диоксида свинца, либо из диоксида свинца, нанесенного на инертную электронопроводящую подложку из свинца, титана, или изготовленную из платинированного титана или ниобия, погруженного в раствор, состоящий из смеси двух кислот - серной и хромовой, положительный и отрицательный электрод вместе с соответствующим электролитом отделены друг от друга с помощью химически стойкой перфторированной катионообменной мембраны, типа "Нафион" или "МФ-4-СК".