RU2165117C1 - Electrical energy generating unit - Google Patents
Electrical energy generating unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2165117C1 RU2165117C1 RU99127398/09A RU99127398A RU2165117C1 RU 2165117 C1 RU2165117 C1 RU 2165117C1 RU 99127398/09 A RU99127398/09 A RU 99127398/09A RU 99127398 A RU99127398 A RU 99127398A RU 2165117 C1 RU2165117 C1 RU 2165117C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- plates
- gas
- solid
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока. The invention relates to the field of direct conversion of chemical energy into electrical energy and can be used in current sources.
Известно устройство для получения электрической энергии, содержащее электродную пару, состоящую из сплошного и газопроницаемого электродов, снабженных коммутацией и отделенных друг от друга слоем полупроводникового материала с дырочной проводимостью, обладающего свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой рабочей смеси реагентов и продуктов реакции, подаваемой к газопроницаемому электроду (Патент России N 2079934, H 01 M 8/10, 14/00, заявл. 16.03.94). A device for producing electric energy is known that contains an electrode pair consisting of a continuous and gas-permeable electrodes, equipped with commutation and separated from each other by a layer of semiconductor material with hole conductivity, having the properties of a catalyst for redox reactions in a gas working mixture of reactants and reaction products supplied to gas permeable electrode (Russian Patent N 2079934, H 01 M 8/10, 14/00, application. 16.03.94).
Недостатки известного устройства заключаются в сложности выбора материала полупроводникового катализатора при одновременном обеспечении оптимальных условий для образования на его поверхности двойного электрического слоя за счет адсорбции реагентов и эффективного протекания каталитической реакции. Так как подобрать такой материал затруднительно, энергетическая эффективность устройства и его КПД снижаются. The disadvantages of the known device are the difficulty in choosing the material of the semiconductor catalyst while ensuring optimal conditions for the formation of a double electric layer on its surface due to the adsorption of reagents and the effective course of the catalytic reaction. Since it is difficult to select such a material, the energy efficiency of the device and its efficiency are reduced.
Наиболее близким к заявляемому устройству по количеству совпадающих существенных признаков является устройство для получения электрической энергии, содержащее электродную пару, состоящую из снабженных коммутацией сплошного и газопроницаемого электродов, отделенных друг от друга слоем полупроводникового катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой среде смеси реагентов и выпрямляющим контактом, образованным между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом, при этом толщина слоя полупроводникового катализатора не превышает значение длины диффузии для неосновных носителей заряда в полупроводниковом материале (Патент России N 2140122, H 01 M 8/10, 14/00, заявл. 22.07.98). Closest to the claimed device by the number of matching essential features is a device for producing electrical energy containing an electrode pair consisting of commutated solid and gas-permeable electrodes separated from each other by a semiconductor catalyst of redox reactions in a gaseous medium of a reactant mixture and a rectifying contact, formed between the semiconductor catalyst and the solid electrode, wherein the thickness of the semiconductor layer layer the catalyst does not exceed the value of the diffusion length for minority charge carriers in a semiconductor material (Russian Patent N 2140122, H 01 M 8/10, 14/00, declared. 22.07.98).
Недостатки известного устройства заключаются в следующем. The disadvantages of the known device are as follows.
Так как выходное напряжение единичной электродной пары ограничено десятыми долями вольта, при значительной площади рабочей поверхности возрастает сила тока, протекающего через электроды. Это вызовет омические потери выходной мощности и потребует увеличения поперечного сечения электродов, что, в свою очередь, ведет к ухудшению весовых характеристик устройства. Для повышения выходного напряжения устройства его целесообразно выполнять в виде сборки последовательно соединенных электродных пар при непосредственном электрическом контакте между газопроницаемым и сплошным электродами соседних пар. Однако при использовании протяженных контактов поверхностей газопроницаемых и сплошных электродов друг с другом уменьшается их рабочая поверхность, ухудшаются условия подвода смеси реагентов и отвода продуктов реакции к поверхности газопроницаемых электродов, возрастает общее гидравлическое сопротивление такой сборки. В результате энергетическая эффективность известного устройства снижается. Since the output voltage of a single electrode pair is limited to tenths of a volt, with a significant area of the working surface, the strength of the current flowing through the electrodes increases. This will cause ohmic loss of the output power and require an increase in the cross section of the electrodes, which, in turn, leads to a deterioration in the weight characteristics of the device. To increase the output voltage of the device, it is advisable to perform it in the form of an assembly of series-connected electrode pairs with direct electrical contact between the gas-permeable and solid electrodes of adjacent pairs. However, when using extended contacts of the surfaces of gas-permeable and solid electrodes with each other, their working surface decreases, the conditions for supplying a mixture of reagents and removal of reaction products to the surface of gas-permeable electrodes deteriorate, and the overall hydraulic resistance of such an assembly increases. As a result, the energy efficiency of the known device is reduced.
Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности устройства для получения электрической энергии. Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении выходного напряжения и выходной мощности. The objective of the invention is to increase the energy efficiency of the device for generating electrical energy. The technical result that can be obtained using the proposed device is to increase the output voltage and output power.
Поставленная задача решается предлагаемым устройством для получения электрической энергии, содержащим по меньшей мере одну электродную пару, состоящую из снабженных коммутацией сплошного и газопроницаемого электродов, отделенных друг от друга слоем полупроводникового катализатора окислительно-восстановительных реакций в газовой среде смеси реагентов и выпрямляющим контактом, образованным между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом, каждая электродная пара выполнена в виде многослойной пластины, центральная часть которой образована сплошным электродом, полупроводниковый катализатор и газопроницаемый электрод расположены по обе стороны от сплошного электрода, причем участки газопроницаемого электрода, имеющиеся на противоположных сторонах пластины, электрически соединены между собой, пластины расположены с зазором для протекания газовой смеси между ними, а коммутация электродов осуществлена посредством электропроводных дистанционаторов, расположенных между пластинами, при этом в местах электрического контакта дистанционаторов со сплошным электродом в полупроводниковых слоях и газопроницаемом электроде образованы сквозные выемки. Кроме того, в пластинах могут быть выполнены сквозные отверстия, а дистанционаторы могут быть закреплены на одной стороне пластин. Выполнение электродной пары в виде многослойной пластины с центральным слоем в качестве сплошного электрода, окруженного полупроводниковыми слоями с выпрямляющим контактом и наружным газопроницаемым электродом, позволяет изготавливать такие пластины различной геометрической формы, используя сплошной электрод в качестве подложки для нанесения соответствующих покрытий. Использование электропроводных дистанционаторов позволяет набирать пакет из пластин, размещенных с необходимым зазором, с последовательной электрической коммутацией электродов для повышения выходного напряжения. При этом площадь контактов дистанционаторов с электродами составляет незначительную долю площади пластин и практически не влияет на величину общей рабочей поверхности катализатора. Вследствие этого осуществляется эффективный доступ смеси к обеим поверхностям пластин и могут быть обеспечены оптимальные теплогидравлические параметры газового потока для эффективного протекания каталитической реакции. The problem is solved by the proposed device for producing electrical energy, containing at least one electrode pair, consisting of commutated solid and gas-permeable electrodes, separated from each other by a semiconductor catalyst of redox reactions in the gaseous medium of the reactant mixture and a rectifying contact formed between the semiconductor a catalyst and a continuous electrode, each electrode pair is made in the form of a multilayer plate, the central part which is formed by a solid electrode, the semiconductor catalyst and the gas-permeable electrode are located on both sides of the solid electrode, the portions of the gas-permeable electrode on the opposite sides of the plate are electrically connected to each other, the plates are arranged with a gap for the gas mixture to flow between them, and the electrodes are switched by means of conductive spacers located between the plates, while in the places of electrical contact of the spacers with continuous Through the electrode in the semiconductor layers and the gas-permeable electrode through holes are formed. In addition, through holes can be made in the plates, and the spacers can be fixed on one side of the plates. The implementation of the electrode pair in the form of a multilayer plate with a central layer as a continuous electrode surrounded by semiconductor layers with a rectifying contact and an external gas-permeable electrode allows us to produce such plates of various geometric shapes, using a solid electrode as a substrate for applying the corresponding coatings. The use of electrically conductive spacers allows you to dial a package of plates placed with the necessary gap, with a serial electrical switching of the electrodes to increase the output voltage. Moreover, the contact area of the remote controllers with the electrodes is a small fraction of the area of the plates and practically does not affect the value of the total working surface of the catalyst. As a result, the mixture is effectively accessible to both surfaces of the plates and optimal thermo-hydraulic parameters of the gas flow can be ensured for the catalytic reaction to proceed efficiently.
Предлагаемое устройство для получения электрической энергии показано на следующих чертежах. На фиг. 1 - схема устройства с разрезом одной пластины, на фиг. 2 - виды Б и В фиг. 1, на фиг. 3 и 4 - увеличенные вырывы фиг. 1 и вида Б фиг. 2. The proposed device for generating electrical energy is shown in the following drawings. In FIG. 1 is a diagram of a device with a cut of one plate, in FIG. 2 - views B and C of FIG. 1, in FIG. 3 and 4 are enlarged breakouts of FIG. 1 and type B of FIG. 2.
Устройство содержит пакет, состоящий из размещенных друг за другом многослойных пластин, имеющих форму дисков 1 с центральным отверстием. Центральная часть диска является сплошным электродом 2 и окружена слоем полупроводникового катализатора 3. Между этим электродом и катализатором образован выпрямляющий контакт, для создания которого может использоваться промежуточный полупроводниковый слой 4. На поверхности катализатора имеются токопроводящие дорожки ячеистой геометрии, из которых на всей поверхности диска сформирован газопроницаемый электрод 5. С одной стороны диска в газопроницаемом электроде и полупроводниковых слоях имеются три сквозные круглые выемки, через которые с кольцевым зазором относительно слоя катализатора и газопроницаемого электрода выведены наружу три цилиндрических дистанционатора - токовывода 6, впаянные одним торцом в сплошной электрод. Противоположные торцы каждого дистанционатора выступают над поверхностью данного диска на величину газового зазора 7 и контактируют с токопроводящими дорожками соседнего диска, обеспечивая дистанционирование дисков друг от друга и последовательное электрическое соединение электродов. Токопроводящие дорожки расширены в местах их возможного контакта с дистанционаторами до величины диаметра последних. Соединение крайних дисков пакета с электрической нагрузкой 8 обеспечивается с помощью токовыводных клемм 9 и 10, торцевые поверхности которых по форме идентичны соответствующим поверхностям дисков. В одной или обеих клеммах имеются центральные отверстия, соответствующие аналогичным отверстиям в дисках. Пакет дисков может быть размещен в общем корпусе (на чертежах не показан). The device comprises a package consisting of multilayer plates arranged one after another, having the form of disks 1 with a central hole. The central part of the disk is a
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.
Газообразная смесь горючего и окислителя 11 через центральное отверстие в клемме 9 поступает в канал, образованный центральными отверстиями в дисках, из которого растекается в щелевые каналы, образованные зазорами между дисками. Тем самым обеспечивается обтекание смесью всей поверхности дисков, а отработанная смесь по их периферии выходит из устройства. При этом на поверхности полупроводникового катализатора каждого диска протекает реакция каталитического окисления топлива, сопровождающаяся процессами адсорбции реагентов и десорбции газообразных продуктов реакции, вызывающая генерацию неравновесных электронно-дырочных пар в слое полупроводника. В результате разделения электронно-дырочных пар выпрямляющими контактами возникает разность потенциалов между сплошными и газопроницаемым электродами. Электрический ток, переносимый неосновными носителями (электронами в полупроводнике p-типа), собирается с поверхности катализатора токопроводящими дорожками газопроницаемых электродов на обеих сторонах дисков к зонам контакта этих электродов с дистанционаторами, впаянными в соседние диски. Через дистанционаторы ток течет в сплошные электроды и через выпрямляющие контакты, которые пропускают только неосновные носители, в полупроводниковый катализатор. Последовательная коммутация каждого диска в электрической цепи, образованной с помощью дистанционаторов и клемм, приводит к увеличению выходного напряжения на нагрузке. The gaseous mixture of fuel and oxidizer 11 through the central hole in terminal 9 enters the channel formed by the central holes in the disks, from which it flows into the slotted channels formed by the gaps between the disks. This ensures that the mixture flows around the entire surface of the disks, and the spent mixture exits from the device along their periphery. In this case, a catalytic oxidation reaction of fuel occurs on the surface of the semiconductor catalyst of each disk, accompanied by the processes of adsorption of reagents and desorption of gaseous reaction products, causing the generation of nonequilibrium electron-hole pairs in the semiconductor layer. As a result of the separation of electron-hole pairs by rectifying contacts, a potential difference arises between solid and gas-permeable electrodes. The electric current carried by minority carriers (electrons in a p-type semiconductor) is collected from the surface of the catalyst by the conductive paths of gas-permeable electrodes on both sides of the disks to the contact areas of these electrodes with spacers soldered into adjacent disks. Through remote controllers, current flows into solid electrodes and through rectifying contacts, which only minority carriers pass, into a semiconductor catalyst. Serial switching of each disk in an electric circuit formed by means of remote controllers and terminals leads to an increase in the output voltage at the load.
Пример. Example.
Устройство содержит пакет дисков диаметром 50 мм и толщиной 0,5 мм, с центральным отверстием диаметром 12 мм, изготовленных из металла с низкой работой выхода электронов (например, из титана). На поверхность каждого диска последовательно нанесены каталитическое покрытие толщиной до 1 мкм на основе оксидов переходных металлов (например, NiO) и токопроводящие дорожки из металла с высокой работой выхода (нержавеющая сталь, Ni и т. д.), образующие газопроницаемый электрод с ячеистой поверхностью и с характерным размером ячеек ≈2 мм. При этом между материалом диска и покрытием возникает выпрямляющий контакт (барьер Шоттки). Расстояние между дисками не более 0,5 мм поддерживается тремя дистанционаторами из нержавеющей стали диаметром 2 мм, установленными на одной стороне диска. При рабочей температуре дисков 320oC и использовании смеси ацетилена с избыточным по отношению к стехиометрии количеством воздуха каждый диск генерирует ток силой более 0,8 A при напряжении около 0,3 В. При количестве дисков в пакете, равном 40 шт., номинальная мощность устройства составляет 10 Вт при выходном напряжении 12 В и КПД преобразования энергии до 20%. Такое устройство может быть использовано в качестве автономного источника электрической и тепловой (до 40 Вт) энергии, например, для автоматических систем сигнализации, контроля, связи и т. п.The device contains a pack of disks with a diameter of 50 mm and a thickness of 0.5 mm, with a central hole of 12 mm in diameter, made of metal with a low electron work function (for example, titanium). On the surface of each disk, a catalytic coating up to 1 μm thick based on transition metal oxides (e.g. NiO) and metal conductive paths with high work function (stainless steel, Ni, etc.), forming a gas-permeable electrode with a cellular surface and with a characteristic mesh size of ≈2 mm. In this case, a rectifying contact (Schottky barrier) occurs between the disk material and the coating. The distance between the discs is not more than 0.5 mm is supported by three stainless steel spacers with a diameter of 2 mm, mounted on one side of the disc. At a working temperature of the disks of 320 o C and the use of a mixture of acetylene with an excess of air relative to stoichiometry, each disk generates a current of more than 0.8 A at a voltage of about 0.3 V. With the number of disks in the package equal to 40 pcs., Rated power the device is 10 W with an output voltage of 12 V and an energy conversion efficiency of up to 20%. Such a device can be used as an autonomous source of electrical and thermal (up to 40 W) energy, for example, for automatic alarm systems, control, communications, etc.
Многослойные пластины, представляющие собой электродные пары, могут быть выполнены с различной геометрической формой, определяемой из конкретного назначения устройства и условий его функционирования. Multilayer plates, representing electrode pairs, can be made with different geometric shapes, determined from the specific purpose of the device and the conditions of its operation.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99127398/09A RU2165117C1 (en) | 1999-12-21 | 1999-12-21 | Electrical energy generating unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99127398/09A RU2165117C1 (en) | 1999-12-21 | 1999-12-21 | Electrical energy generating unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2165117C1 true RU2165117C1 (en) | 2001-04-10 |
Family
ID=20228653
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99127398/09A RU2165117C1 (en) | 1999-12-21 | 1999-12-21 | Electrical energy generating unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2165117C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2628336C2 (en) * | 2013-03-15 | 2017-08-16 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Techniques and device for 3d biocompatible batteries production |
-
1999
- 1999-12-21 RU RU99127398/09A patent/RU2165117C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2628336C2 (en) * | 2013-03-15 | 2017-08-16 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Techniques and device for 3d biocompatible batteries production |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1791202B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1695405B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1695409B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1695408B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1698008B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
US7517602B2 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1695404B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP1698011B1 (en) | Fuel cell | |
RU2165117C1 (en) | Electrical energy generating unit | |
US20080085435A1 (en) | Fuel Cell System | |
EP1698010B1 (en) | Fuel cell | |
JP4351618B2 (en) | Fuel cell | |
KR102535955B1 (en) | Interconnect assembly for fuel cells capable of forming variable flow path patterns | |
JP4555050B2 (en) | Fuel cell | |
JPH01235160A (en) | Electrode with rib of fuel cell | |
JP2002280021A (en) | Fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091222 |