RU42700U1 - Химический источник постоянного электрического тока - Google Patents

Abstract

Предложен гальванический элемент, являющийся развитием гальванического элемента Якоби-Даниеля. Емкость разделена на две части полупроницаемой пленкой, пропускающей только ионы водорода, протоны, но не пропускающая другие более крупные ионы. В одной части емкости находится электролит А, дистиллированная вода, а в другой части электролит Б- 25-45% раствор серной кислоты в дистиллированной воде. С обеих сторон пленки к ней плотно прижаты кислотоупорные электроды из графита или кислотоупорного металла в виде плоских пластин или цилиндров с большим количеством малых сквозных отверстий. Молекулы серной кислоты в воде электролита Б распадаются на положительно заряженные ионы водорода, протоны, и на отрицательно заряженные ионы SO . За счет диффузии ионы водорода через полупроницаемую пленку поступают из электролита Б в электролит А, а ионы SO этой пленкой задерживаются, в результате чего по обе стороны пленки соответственно возникают слои положительного и отрицательного заряда и часть этих зарядов переходит на соответствующие электроды, анод и катод, между которыми создается электрическая разность потенциалов и вся система становится подобной заряженному электрическому конденсатору. При замыкании цепи от катода к аноду перетекают электроны, и возникает постоянный ток. Электроны на поверхности анода в электролите А захватываются ионами водорода, в результате чего на аноде в виде пузырьков постоянно выделяется газообразный водород, который отводится по специальному трубопроводу. На катоде ионы SO ,потерявшие электроны, становятся нестабильными и распадаются на кислород, выделяющийся в виде пузырьков, котор

Description

Изобретение относится к химическим источникам постоянного электрического тока и может быть использовано там, где в настоящее время используются гальванические элементы или аккумуляторы.

Известны химические источники постоянного электрического тока называемые аккумуляторами [1]. Их недостатком является необходимость предварительно пропускать через них постоянный электрический ток, в результате чего на электродах вследствие электролиза происходят химические изменения, после чего электрический ток отключают, и аккумулятор может работать как самостоятельный источник постоянного тока подобно гальваническому элементу.

Известны также химические источники постоянного электрического тока, называемые гальваническими элементами [2], в которых электроды из двух различных металлов помещены в раствор-электролит, в который в различной мере переходят ионы металлов-электродов, в результате чего между металлическими электродами возникает электрическая разность потенциалов. При замыкании цепи от одного электрода к другому и через электролит протекает постоянный ток. При этом один из металлических электродов постепенно растворяется, меняя состав электролита.

Недостатком этих гальванических элементов является то, что при определенной степени насыщения электролита металлом растворяющегося электрода гальванический элемент прекращает работать, как источник тока, и его обычно выбрасывают.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является химический источник постоянного тока, принятый за прототип, называемый гальваническим элементом Якоби-Даниэля [3]. В этом гальваническом элементе один электрод изготовлен из металлического цинка и погружен в электролит - водный раствор сульфата цинка, а второй электрод выполнен из меди и погружен в другой электролит - водный раствор сульфата меди. Чтобы электролиты не смешивались они разделены полупроницаемой перегородкой, через которую проходят только ионы цинка. При этом цинковый электрод заряжается положительно и является анодом, а медный электрод отрицательно и является катодом. При замыкании электрической цепи во время протекания электрического тока с цинкового электрода в электролит постоянно поступают ионы цинка, которые проходят через полупроницаемую перегородку и постепенно из сульфата меди вытесняют медь, которая в металлическом виде выделяется на медном электроде. Когда большая часть меди будет вытеснена из сульфата меди цинком, работа гальванического элемента, как источника тока, прекращается.

Недостаток гальванического элемента Якоби-Даниэля тот же, что и у всех гальванических элементов: он может работать до тех пор пока состав по крайней мере одного из электролитов существенно не изменится. После этого для возобновления работы гальванического элемента необходимо заменить соответствующий электролит и время от времени менять сильно растворившийся цинковый электрод или сильно разросшийся медный электрод.

Целью настоящего изобретения является создание химического источника постоянного тока типа гальванического элемента,в котором при изменении состава одного из электролитов для возобновления работы источника

достаточно в него долить дистиллированную воду, а замена электродов не требуется вообще.

Это достигается благодаря тому, что химический источник постоянного электрического тока, содержащий емкость с плотной крышкой, электроды, погруженные в разные электролиты А и Б, разделенные до крышки полупроницаемой для ионов перегородкой, отличается тем, что электроды выполнены из графита в виде тонких плоских пластин толщиной 2-5 миллиметра с многочисленными сквозными отверстиями диаметром 2-5 миллиметров или в виде сетки из углеродных волокон, натянутой на графитовый или кислотоупорный металлический каркас, и плотно прижаты к разделяющей их и электролиты А и Б полиэтиленовой или подобной пленкой с микроскопическими отверстиями, способными пропускать ионы водорода, протоны, и непроницаемой для других более крупных ионов, и в качестве электролита А использована дистиллированная вода, а электролитом Б является смесь 25-45%, по весу, серной кислоты и 75-55% дистиллированной воды, причем в крышке емкости над электролитами А и Б выполнены отверстия с кранами для отвода при работе источника тока водорода из электролита А и кислорода из электролита Б, отверстия с кранами для долива электролитов, а также сквозь уплотнения в крышке пропущены вращающиеся стержни с пропеллерами для перемешивания электролитов А и Б во время работы источника тока.

Устройство отличается тем, что емкость, ее части с электролитами А и Б и полупроницаемая пленка выполнены цилиндрическими.

Устройство отличается тем, что электроды выполнены из кислотоупорного металла (например, платины).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Молекулы серной кислоты в водном растворе распадаются на ионы водорода Н⁺ и SO₄ ^-- в соответствии с уравнением

Положительно заряженные ионы водорода из электролита Б через полупроницаемую пленку проникают в слой электролита А вблизи пленки и создают пространственный положительный заряд, в результате чего расположенный рядом электрод заряжается положительно и в соответствующем источнике тока служит анодом. Ионы SO₄ ^-- не могут проникнуть через полупроницаемую пленку, в результате чего в электролите Б в близи пленки возникает пространственный отрицательный заряд и соответствующий электрод в электролите Б заряжается отрицательно и в источнике тока служит катодом. Между анодом и катодом возникает электрическая разность потенциалов, как и других химических источниках постоянного электрического тока. Такая пленка, пропускающая только ионы водорода, может быть изготовлена путем обстрела полимерной пленки потоком протонов или ядер тяжелого водорода - дейтерия, полученными в простых ускорителях заряженных частиц.

Работа предлагаемого источника подробно описана ниже. На фиг.1 изображен химический источник тока с плоскими электродами. На фиг.2 изображен этот же источник с цилиндрическими электродами. Химический источник тока состоит из емкости 1 с плотной крышкой 2. Внутри емкости 1 находятся электролиты А и Б и расположены 3 и 4 плоские (фиг.1) или цилиндрические (фиг.2) электроды, между которыми расположена полупроницаемая пленка 5. Через уплотнения в крышке 2 пропущены вращающиеся стержни 6 и 7 с пропеллерами для перемешивания электролитов А и Б. Для отвода образующихся при работе источника тока водорода и кислорода на крышке 2 выполнены патрубки 8 и 9 с кранами 10 и 11. Для долива электролитов А и Б выполнены патрубки с кранами 12 и 13.

Работа химического источника электрического тока происходит следуюшщим образом.

Ионы водорода, протоны, из электролита Б через полупроницаемую пленку 5 за счет диффузии проникают в электролит А, в результате чего

вблизи полупроницаемой пленки в электролите А возникает пространственный положительный заряд, который частично передается расположенному в электролите А электроду 3. Одновременно в электролите Б вблизи полупроницаемой пленки 5 скапливаются отрицательно заряженные ионы SO₄ ^-- неспособные проникнуть через полупроницаемую пленку, в результате чего вблизи пленки в электролите Б возникает пространственный отрицательный электрический заряд, который частично передается расположенному рядом электроду 4. Таким образом по обе стороны пленки возникнут электрические заряды разного знака, и пленка 5 с этими зарядами и электродами 3 и 4 фактически образует заряженный электрический конденсатор, а между электродами 3 и 4 в электролитах А и Б возникает электрическая разность потенциалов, как и в гальваническом элементе. При этом в этом источнике тока электрод 3 в электролите А является плюсом, т.е. анодом, а электрод 4 в электролите Б минусом, т.е катодом. Если замкнуть анод и катод, подключив потребитель электрического тока,то электроны получаемые катодом от ионов SO₄ ^-- попадут на анод и часть ионов водорода в электролите А захватит эти электроны и превратится в газообразный водород, выделяющийся на аноде в виде газовых пузырьков, и образовавшийся водород удаляется через соответствующий патрубок 8 с краном 10 в крышке 2 емкости 1. Ионы SO₄ ^-- потерявшие электроны нестабильны и распадаются на кислород и серный ангидрид S03,который сразу же в электролите Б вступает в химическую реакцию с водой, содержащейся в электролите Б, и образует серную кислоту, которая таким образом не расходуется, а освободившийся кислород выделяется на катоде в виде пузырьков, которые постепенно всплывают, и полученный таким образом кислород удаляется через патрубок 9 с краном 11 на крышке 2 емкости 1.

Для ускорения всплывания пузырьков водорода и кислорода служит перемешивание электролитов А и Б с помощью вращающихся стержней с пропеллерами 6 и 7.

При непрерывной работе источника тока непрерывно ионы водорода проникают через полупроницаемую пленку, в результате чего непрерывно идут и описанные выше процессы. Единственным расходным материалом при работе такого источника тока является дистиллированная вода, в электролите Б которая фактически разлагается на водород и кислород при комнатной температуре за счет поглощения тепла извне в химической реакции, роль мощного катализатора в которой играет серная кислота. При значительном повышении концентрации серной кислоты в электролите Б за счет расхода воды ее доливают через патрубок с краном 13.

Предложенный химический источник постоянного электрического тока может быть использован и непосредственно как источник электрического тока, но и одновременно как устройство для получения дешевого водорода и кислорода, которые в дальнейшем могут быть использованы для работы топливных элементов [4], которые в настоящее время рассматриваются как одни из самых перспективных устройств для получения электроэнергии.

Экономический эффект от применения предложенного источника постоянного тока должен быть большим, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Claims (2)

1. Химический источник постоянного электрического тока, содержащий емкость с плотной крышкой, электроды, погруженные в разные электролиты в соответствующих частях емкости, разделенные до крышки полупроницаемой для ионов перегородкой, при этом электроды выполнены из кислотоупорного металла или графита в виде тонких пластин толщиной 2-5 мм с многочисленными сквозными отверстиями диаметром 2-5 мм или в виде сетки из углеродных волокон, натянутой на графитовый или металлический кислотоупорный каркас, и плотно прижаты к разделяющей их и электролиты полиэтиленовой или подобной полимерной пленки с микроотверстиями, способными пропускать ионы водорода, протоны, и непроницаемой для других более крупных ионов, и в качестве одного из электролитов использована дистиллированная вода, а другим электролитом является раствор 25-45%, по весу, серной кислоты и 75-55% дистиллированной воды, причем в крышке емкости над электролитами выполнены отверстия с кранами для отвода газов, образующихся при работе, и отверстия с кранами для долива электролитов, а также сквозь уплотнения в крышке пропущены с возможностью вращения кислотоупорные стержни с пропеллерами для перемешивания электролитов во время работы.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что емкость, ее части с электролитами и полупроницаемая пленка выполнены цилиндрическими.