Хемоэлектронный конвертер Российский патент 2025 года по МПК H01M14/00 H01M6/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетике, более точно, к преобразователям энергии адсорбции влаги поверхностью в электрическую энергию.

Уровень техники

Из уровня техники известно устройство для преобразования энергии с использованием жидкости, описанное в US 9998034 B2, 12.06.2018, и реализующее способ электростатического захвата заряда движущейся проводящей жидкости поверхностью электродов, выполненных из металлов или электрон-проводящих материалов с высокоразвитой поверхностью, в частности, на основе нанотрубок и прочих углеродных наноматериалов. В упомянутом устройстве для получения электроэнергии используется электрокинетическое явление обратного осмоса, нанотрубки находятся в составе электродов и служат для повышения эффективности взаимодействия электродов с электропроводящей жидкостью, путем повышения удельной поверхности электродов.

Можно предположить, что применение углеродных наноматериалов повысит КПД устройства для преобразования энергии с использованием жидкости. Однако, так как в описанном в US 9998034 устройстве используется многостадийный механизм превращения механической энергии в электрическую, его КПД будет иметь заведомо более низкую величину по отношению к устройству с прямым преобразованием энергии адсорбции паров влаги в электрическую энергию.

Из уровня техники известно прямое преобразование энергии адсорбции паров воды (влаги) в электричество на поверхности наночастиц диоксида циркония, описанное в статье «Direct conversion of the water adsorption energy to electricity on the surface of zirconia nanoparticles», опубликованной 01.03.2019, страницы 1603–1609 девятого номера журнала «Applied Nanoscience» за 2019 год (DOI: 10.1007 /sl 3204-019-00979-6), и представляющее собой объемный вариант хемоэлектронного конвертера с прямым преобразованием энергии адсорбции паров влаги в электрическую энергию.

Кроме того, из уровня техники известен хемоэлектронный конвертер на основе нанопорошков системы ZrO₂–Y₂O₃, описанный в WO 2021107909 A1, 03.06.2021 (прототип), и включающий диэлектрическую подложку, электродную сетку и функциональное нанопорошковое полимерное покрытие, полученное нанесением суспензии на основе 1% - ного водного раствора полимера поливинилового спирта с нанопорошком твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃.

Известный хемоэлектронный конвертер обладает низкими удельными характеристиками (мощностью, плотностью тока), ввиду существенной доли рекомбинации носителей заряда из-за низкой электропроводности среды в пространстве между наночастицами.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков известного уровня техники, а технический результат изобретения заключается в повышении удельных характеристик (мощность, плотность тока) хемоэлектронного конвертера на основе нанопорошка твердого раствора состава ZrО₂–Y₂О₃.

Упомянутый технический результат достигается за счет изменения состава компонентов хемоэлектронного конвертера. Хемоэлектронный конвертер включает, по меньшей мере, одну ячейку, которая содержит диэлектрическую подложку, на подложке расположена пара электродов, соединенных функциональным нанопорошковым полимерным покрытием, которое получено нанесением и последующим высушиванием суспензии на основе 1%-ного водного раствора полимера поливинилового спирта и смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ с размером частиц 7…8 нм и углеродных нанотрубок диаметром 15…30 нм, при этом в суспензии на 20 мл раствора приходится 1 г смеси, а соотношение весовых долей смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ и углеродных нанотрубок составляет от 100/1 до 100/3 соответственно.

В частных формах реализации хемоэлектронного конвертера технический результат также достигается за счет нижеследующего.

Электроды выполнены прямоугольными и расположены параллельно относительно друг от друга на расстоянии не более 1,5 мм.

Электроды выполнены позолоченными с толщиной слоя золота не менее 1мкм.

Нанопорошок твердого раствора состава ZrО₂–Y₂О₃ является нанопорошком твердого раствора состава ZrO₂–3 мол.% Y₂O₃.

Необходимо отметить, что упомянутое исполнение позволяет повысить удельные характеристики (мощность, плотность тока) адсорбционного преобразователя энергии (хемоэлектронного конвертера) за счет повышения электропроводности полимера в пространстве между частицами. В частности, введение нанотрубок в полимер не приводит к повышению общей электропроводности системы и экранированию образующихся носителей заряда и последующей их рекомбинацией, а позволяет снизить длины непроводящих промежутков с сохранением в общем диэлектрических характеристик полимера с последующим снижением доли рекомбинации образующихся носителей заряда.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется следующими графическими материалами.

Фиг. 1. Схематическое изображение ячейки хемоэлектронного конвертера.

Фиг. 2.Электрическая схема подключения хемоэлектронного конвертера к измерительной цепи.

Фиг. 3. Временные зависимости ЭДС хемоэлектронных конвертеров, выполненных с введением в состав функционального нанопорошкового полимерного покрытиея углеродных нанотрубок.

Фиг. 4.Временные зависимости ЭДС хемоэлектронных конвертеров, выполненных без введения в состав функционального нанопорошкового полимерного покрытиея углеродных нанотрубок.

Осуществление изобретения

Хемоэлектронный конвертер включает одну или более ячеек. Ячейки могут быть соединены, как параллельно или последовательно, так и объединены в группы, при этом ячейки в группах соединены параллельно или последовательно, а группы соединены, соответственно, последовательно или параллельно.

Как показано на фигуре 1, ячейка хемоэлектронного конвертера содержит диэлектрическую подложку (1), на которой расположена пара электродов (2), соединенных функциональным нанопорошковым полимерным покрытием (3), которое включает полимер поливинилового спирта, нанопорошок твердого раствора состава ZrО₂ – Y₂О₃ и углеродные нанотрубки. К электродам (2) прикреплены, например, при помощи пайки или токопроводящего клея проводники (4).

Электроды выполнены, преимущественно позолоченными с толщиной слоя золота не менее 1 мкм, однако не исключено использование цельно золотых электродов. Электроды выполнены прямоугольными и расположены параллельно относительно друг от друга на расстоянии не более 1,5 мм.

Нанопорошок твердого раствора системы ZrО₂–Y₂О₃ (стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония) является, в частности, нанопорошком твердого раствора состава ZrO₂–3 мол.% Y₂O₃.

Хемоэлектронный конвертер работает следующим образом.

Ячейка хемоконвертера, находящаяся в сухой атмосфере в течение не менее 10 мин помещается в емкость с влажной атмосферой, вследствие чего начинается адсорбция влаги на поверхность наночастиц функционального нанопорошкового полимерного покрытия с выделением тепла (10…30 кДж/моль) и носителей электрического заряда. При насыщении порядка 6…11% (весовых) активная адсорбция влаги прекращается – ячейка хемоэлектронного конвертера переходит в неактивный режим. После очередной просушки в сухой атмосфере в течение 10 и более минут, ячейка хемоэлектронного конвертера снова готово к работе. Режим работы хемоэлектронного конвертера – циклический.

С целью получения объективные данных, подтверждающих повышение удельных характеристик (мощность, плотность тока) хемоэлектронного конвертера, проведены следующие эксперименты.

Как покакано на фигуре 2, хемоэлектронный конвертер (5) подключается к нагрузочному резистору (6) (сопротивлением 1МОм) и вольтметру (7) параллельно.

Хемоэлектронный конвертер целевой экспериментальной группы (в количестве
15 штук) включает ячейку, которая содержит стеклянную диэлектрическую подложку. На подложке расположена пара прямоугольных позолоченных (с толщиной слоя золота не менее 1 мкм) электродов размером 3 мм × 5 мм, электроды расположены параллельно относительно друг от друга на расстоянии не более 1,5 мм. Электроды соединены электрически функциональным нанопорошковым полимерным покрытием, которое включает полимер поливинилового спирта, нанопорошок твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ и углеродные нанотрубки. Функциональное нанопорошковое полимерное покрытие получено нанесением и последующим высушиванием круглой капли суспензии на основе 1% - ного водного раствора полимера поливинилового спирта и смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–3 мол.% Y₂O₃ (размер частиц 7…8 нм) и углеродных нанотрубок (диаметр 15…30 нм), при этом, в суспензии на 20 мл раствора приходится 1 г смеси, а соотношение весовых долей смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–3 мол.% Y₂O₃ и углеродных нанотрубок составляет от 100/1 до 100/3, соответственно. Диаметр капли после высыхания составляет 3 мм.

Упомянутый нанопорошок были получены с использованием химической технологии совместного осаждения с применением физических воздействий, описанной на страницах 4015–402 девятого номера журнала «Joumal of nanoparticle research» за 2011 год.

На фигуре 3 показаны временные зависимости ЭДС хемоэлектронных конвертеров целевой экспериментальной группы, т.е. выполненных с введением в состав функционального нанопорошкового полимерного покрытия углеродных нанотрубок (пунктирной линией показан средний по модулю уровень ЭДС).

С целью получения сравнительных данных, проведены дополнительные эксперименты. Хемоэлектронный конвертер подключается к измерительной цепи по той же схеме.

Хемоэлектронный конвертер контрольной группы (в количестве 9 штук) содержит ячейку конструктивного выполнения аналогичного описанному выше, однако, без введения в состав функционального нанопорошкового полимерного покрытия углеродных нанотрубок.

На фигуре 4 показаны временные зависимости ЭДС хемоэлектронных конвертеров контрольной группы, т.е. выполненных без введения в состав функционального нанопорошкового полимерного покрытия углеродных нанотрубок (пунктирной линией показан средний по модулю уровень ЭДС).

Изобретение относится к энергетике, более точно - к преобразователям энергии адсорбции влаги поверхностью в электрическую энергию. Технический результат заключается в повышении удельных характеристик (мощность, плотность тока) хемоэлектронного конвертера на основе нанопорошка твердого раствора состава ZrО₂–Y₂О₃. Технический результат достигается за счет изменения состава компонентов хемоэлектронного конвертера. Хемоэлектронный конвертер включает по меньшей мере одну ячейку, которая содержит диэлектрическую подложку, на подложке расположена пара электродов, соединенных функциональным нанопорошковым полимерным покрытием, которое получено нанесением и последующим высушиванием суспензии на основе 1%-ного водного раствора полимера поливинилового спирта и смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ с размером частиц 7…8 нм и углеродных нанотрубок диаметром 15…30 нм, при этом в суспензии на 20 мл раствора приходится 1 г смеси, а соотношение весовых долей смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ и углеродных нанотрубок составляет от 100/1 до 100/3 соответственно. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Хемоэлектронный конвертер включает по меньшей мере одну ячейку, которая содержит диэлектрическую подложку, на подложке расположена пара электродов, соединенных функциональным нанопорошковым полимерным покрытием, которое получено нанесением и последующим высушиванием суспензии на основе 1%-ного водного раствора полимера поливинилового спирта и смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ с размером частиц 7…8 нм и углеродных нанотрубок диаметром 15…30 нм,

при этом в суспензии на 20 мл раствора приходится 1 г смеси, а соотношение весовых долей смеси нанопорошка твердого раствора состава ZrO₂–Y₂O₃ и углеродных нанотрубок составляет от 100/1 до 100/3 соответственно.

2. Конвертер по п. 1, в котором электроды выполнены прямоугольными и расположены параллельно относительно друг от друга на расстоянии не более 1,5 мм.

3. Конвертер по п. 1, в котором электроды выполнены позолоченными с толщиной слоя золота не менее 1 мкм.

4. Конвертер по п. 1, в котором нанопорошок твердого раствора состава ZrО₂–Y₂О₃ является нанопорошком твердого раствора состава ZrO₂–3 мол.% Y₂O₃.