газовый аккумулятор
По страницам старых публикаций
Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию."-такое определение дает Википедия. Привожу статью за 1970 г, в которой объясняется принцип работы, устройство разнообразных топливных элементов(ТЭ) известных в то время.
КИЛОВАТТ В КАРМАНЕ
Как было бы хорошо иметь батарею для транзисторного приемника, на которой он мог работать, например, год! Но что толку от такой батареи: ведь она весила бы больше самого приемника. А батарея, рассчитанная на 10 лет? Такую тяжесть никто, конечно, не согласится таскать с собой. Значит, мечта о сверхдолговечной и миниатюрной батарейке неосуществима? Если говорить о тех батареях, к которым мы привыкли, то трудно ожидать создания идеальной батареи. Но представьте себе батарею, напоминающую двигатель внутреннего сгорания. В нее тоже подается «топливо», только работает она по принципу «холодного горения», что и делает ее похожей больше на обычную батарею или аккумулятор, а не на двигатель.
Называются такие батареи топливными элементами (ТЭ). Они бесшумны и безотказны в работе, не выделяют вредных газов. Энергия топлива в них превращается в электрическую непосредственно. Благодаря исключению всех промежуточных стадий к. п. д. их может достигать 70—80%. У топливных элементов очень длинная и трудная история.
Они родились около 150 лет назад забывали и «открывали» вновь; при тогдашнем состоянии науки и техники не удавалось сделать их экономичными, легкими, безотказными в работе и удобными в обслуживании. Особенно трудно было создать долго живущие и эффективные электроды.
Лишь за последние 20 лет развитие ТЭ двинулось вперед гигантскими шагами. Связано это с необходимостью создания мощных малогабаритных источников энергии для космических исследований, радио- и телеаппаратуры и других целей. Как же работает ТЭ?
При горении водорода происходит простая химическая реакция образования воды. При этом можно проследить три стадии этой реакции (рис. 1): отрыв электронов от атомов водорода, переход их к атомам кислорода и заполнение«вакантных» мест на внешней электронной оболочке. В результате образуются содружества двух ионов водорода и одного иона кислорода или просто молекулы воды. При обычном горении переход электронов осуществляется хаотически, во всем объеме реагирующих элементов. Температура при этом сильно повышается. Но представьте себе такую картину: атомы водорода мы собираем в одном месте, а кислорода — в другом.
Заставим водород гореть, только электронам, соскочившим с орбит его атомов, не дадим двигаться напрямик к атомам кислорода, а, поставив некую преграду, пустим их в «обход» по проводнику. Но что такое поток электронов?— Электрический ток. Остается подключить к проводнику лампочку или транзисторный приемник — бесперебойное питание обеспечено. Преградой же на пути электронов может служить обычный электролит.Он не пропускает электроны, зато образующиеся в результате реакции ионы водорода и кислорода двигаются в нем навстречу друг другу свободно. А как сделать, чтобы водород«горел» — отдавал электроны, — не будучи подожженным, а кислород их принимал?
В этом могут по катализаторы. Ведь водород загорается, если струю его направить на мелко раздробленную платину, даже при комнатной температуре. Итак, принцип действия ТЭ нам ясен. Сердце ТЭ — две пористые металлические пластинки — электроды (рис. 2).Если посмотреть на них под большим увеличением, можно заметить, что этих пор великое множество и они настолько увеличивают истинную поверхность электрода, что 1 г его имеет площадь (в зависимости от материала) в десятки и сотни квадратных метров.
Материалом электродов могут быть разнообразные металлы: в частности, никель, серебро, платина. Все это катализаторы, и в процессе работы ТЭ они остаются неизменными. Электроды делают пористыми для того, чтобы обеспечить легкий доступ газа и электролита к катализатору.
Простейшим и наиболее известным ТЭ является водородно-кислородный. В нем на анод поступает водород, а на катод — кислород. В результате реакции образуется обычная вода и, конечно, вырабатывается электрический ток Существует много ТЭ подобного рода. Топливом в них могут быть гидразин, спирт, углеводороды, многие газы, а окислителем, кроме кислорода, — просто воздух или азотная кислота. Все это ТЭ прямого действия, и все они хорошо известны. Однако существует целое семейство ТЭ совершенно необычных.
Рис. 3 1 — угольный электрод; 2 — цинковый электрод; 3 — отверстие для подвода воздуха; — фарфоровая крышка;5 — заливочное отверстие для масляного защитного слоя; 6 — дыхательное отв.
Ток в пластмассовом стаканчике.
Если водород окисляется, то почему бы это не делать цинку? Он ведь тоже горит. В батарее карманного фонарика цинковый стаканчик «сгорает», но не в кислороде, а в электролите. Израсходуется электролит, и батарейку приходится выбрасывать. А ведь там осталось еще много цинка.
Но если заменить цинковый стаканчик с электролитом пластмассовым (рис. 3), а в него опустить цинковый анод и пористый угольный стержень, по которому будет поступать кислород или воздух, мы получим уже топливный элемент. Он будет работать необычно долго — до 10 тыс. часов: ведь если цинк израсходуется, можно поставить новый электрод. Вместо цинка можно использовать я другие металлы: алюминий, магний или галлий. Особенно ценен здесь галлий, который становится жидким при 29° С. Ведь жидкому металлу легче растворяться в щелочи, так как при этом не затрачивается дополнительная энергия на разрушение кристаллической решетки металла.
В зависимости от используемых металлов напряжение, создаваемое топливными элементами, различно, и это одно их преимущество. применяются для питания радиоприемников, в светофорах, аппаратуре горной безопасности и для освещения жилищ Разрабатываются конструкции элементов для замены автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Бактерии в электрической упряжке
Ученые обнаружили, что некоторые бактерии выделяют вещества, способствующие окислению металлов. При этих биологических процессах выделяется энергия. Почему бы ее не использовать для производства электроэнергии?
В этом могут помочь топливные элементы (их назвали биохимическими) и морская вода. В таком элементе (рис. 4) бактерии «поселяют» на пористых пластинах, и они «производят» Серу из остатков серной кислоты — сульфат-ионов, которых в морской воде предостаточно. Но для такой работы необходимы дополнительные электроны. Они приходят от магния, из которого состоят другие электроды. Растворяясь, магний отдает два электрона бактериям, которые уже «пришивают» их к сульфат-ионам, превращая их в серу и выделяя энергию.
Морская вода, которая служит электролитом, поставляет окислитель — соли серной кислоты. А запасов топлива — металлического магния — в таком ТЭ хватает на долгое время. Биохимические ТЭ прямого действия устанавливают в море, и они дают энергию морским буям, автоматическим гидролокаторам, маякам и другим видам сигнальной и сторожевой аппаратуры.
Другие виды биохимических топливных элементов получают топливо метан, водород и другие горючие газы от бактерий, разлагающих органические вещества. В большой бак загружают опавшие листья, мусор, древесину, вместе с содержимым там бактерии. Выделяющиеся в процессе гниения газы очищают, сушат и оказываются и «сжигают» в ТЭ. В результате получают и электричество и удобрения.
По пути, проложенному живой природой
ТЭ реакция протекает только в месте контакта газа, электролита и катализатора. Отнимите отсюда что-нибудь одно, и реакция не пойдет. Но если бы удалось увеличить растворимость газов в электролите, то можно было обойтись без подачи водорода и кислорода к электродам. Реакция шла бы в месте контакта только двух сред — твердого катализатора и жидкого электролита с растворенными газами. Но для этого нужны химические вещества, которые обладали бы способностью легко присоединять и также легко отдавать кислород и водород. Тогда эти вещества можно было бы использовать для доставки топлива и окислителя в зону реакции. И оказалось, что такие вещества есть. Они имеются в живых организмах. Это гемоглобин крови, который переносит кислород, и целая группа других веществ, снабжающих пищей-топливом все клетки организма. Однако применять их в топливном элементе невозможно из-за их малой химической стойкости в растворах сильных кислот и щелочей. Тогда химики синтезировали подобные вещества и назвали их невидными. Молекулы этих веществ напоминают клешню краба: этой клешней молекула захватывает кислород, причем она его захватывает так же легко, как и отдает. Впервые это обнаружил советский ученый О. Ксенжекже высказал идею создания так топливных элементов, в которых доставка топлива и окислителя осуществляется клешневидными соединениями, а реакция идет на всей поверхности электрода.
Эти топливные элементы уже работают. Мощность их поистине фантастична: она достигает 1 кВт на литр объема элемента. Топливный элемент такого типа размером с двигатель автомобиля «Волга» имел бы мощность свыше 200 л. с, а весил всего около 300 кг.
Рис. 5: 1 — ядерный излучатель; 2 — камера радиолиза; 3 — топливный элемент.
Созидание через разрушение
Конечно, вы уже слышали об ядерных или атомных батареях. В этих батареях энергия радиоактивного распада непосредственно превращается в электричество. Альфа- или бета-частицы дают на проводнике, а так как они заряжены, то в проводнике возникает электрический ток. Безусловно, это удобно, но подобная батарея имеет ряд недостатков. Основной из них — сверхвысокое напряжение: оно достигает сотен тысяч вольт, и потому приходится вводить дополнительные устройства для его понижения.
Если поместить кусочек радиоактивного вещества с альфа- и бета-распадом в воду, то под действием излучения вода будет непрерывно разлагаться на водород и кислород. А это как раз то, что нужно для топливного элемента. Схема ТЭ, электрохимически преобразующего ядерную энергию, весьма несложна (рис. 5).
Помещенный в раствор щелочи кусочек полония-210 разлагает воду, в результате чего образуется гремучий газ. Он поступает сначала на кислородный, затем на водородный электрод. Поэтому в Первую очередь расходуется весь кислород, а затем уже водород. Это необходимо для того, чтобы на водородный электрод не попала смесь газов — иначе произойдет их взрыв под действием катализатора.
Такие ТЭ найдут очень широкую область применения. Уже сейчас перед инженерами встала проблема: куда девать радиоактивные отходы атомных электростанций? Проблема эта будет, очевидно, решена, если построят целую сеть электростанций на ТЭ, использующих радиоактивные отходы разложения воды.
Озон в космосе
Создан топливный элемент, который обходится только одним кислородом. Под действием радиоактивного излучения обыкновенный кислород здесь превращается в озон. Его молекулы состоят не из двух, а из трех атомов со-кислорода, причем легко распадаются на двухатомную молекулу и одиночный атом. При этом происходит перераспределение электронов на внешней оболочке, вследствие чего выделяется энергия. Эта энергия и превращается в электричество. Атом кислорода получает два электрона с одного из электродов и образует молекулу воды. А на другом электроде вода теряет два электрона, там выделяется кислород (рис. 6). Он поступает в камеру, где под влиянием излучения превращается в озон. Круговорот кислорода происходит непрерывно.
Можно не помещать в камеру, где радиоактивного вещества, а просто запустить такой образуется озон, никакого ТЭ в космос. В космосе топливный элемент станет отлично работать, поглощая любое излучение: и альфа- и бета-частицы, и ультрафиолетовые лучи, и свет. Эти ТЭ уже созданы. Подобный преобразователь мощностью 1 квт весит 54 кг, и его будут устанавливать на спутниках, радиомаяках, автоматических межпланетных станциях. Правда, к. п. д. его достигает всего 20%, но ведь энергия, получаемая в нем, совсем даровая.
Рис. 7. а — подводная лодка с обычной силовой установкой: 1 — движитель; 2 — дизель; 3 — г генератор; 4 — свинцовые аккумуляторы; 5 — емкость с горючим; б — подводная лодка с батареей ТЭ: 1 — движитель; 2 — емкость с кислородом; 3 — емкость с углеводородным топливом; 4 — генератор топливных газов; 5 — батарея ТЭ.
Возможности малых преобразователей энергии практически безграничны. Их достоинства очевидны. Ученые разных стран настойчиво работают над совершенствованием топливных элементов. Разрабатываются ТЭ, которые станут работать на бензине и керосине. При работе таких ТЭ будут выделяться только углекислый газ и вода. Эти топливные элементы заменят двигатели внутреннего сгорания автомобиля. Проблема загрязнения воздуха выхлопными газами отпадет раз и навсегда.
В США разработан топливный элемент, человеческого организма преобразующий глюкозу в электрический ток для стимулирования работы сердца. Он представляет собой диск диаметром 38 и толщиной около 7 мм и рассчитан на десятилетия непрерывной работы.
Существуют проекты оснащения подводных лодок батареями ТЭ. На схеме (рис. 7а и 7б) видно, насколько меньше места занимает силовое оборудование лодки, оснащенной ТЭ, по сравнению с обычной лодкой. Наука не стоит на месте, и может быть, уже завтра слова «топливный элемент» станут для нас просты и обыденны, как ими уже стали слова«солнечная батарея», «спутник» и многие другие.
В. Тначенно,1970г
ГАЗОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Эти аккумуляторы отличаются простотой устройства и не дефицитностью материалов, применяемых при изготовлении. Газовый аккумулятор (рис. 78) представляет собой непрозрачный сосуд / с крышкой 2 (сосуд может быть стеклянный, покрашенный снаружи черной краской, так как попадание света внутрь аккумулятора приводит к быстрому его разряду), в который опущены два одинаковых электрода. Электрод состоит из угольного стержня 3 (от старых гальванических элементов), вокруг которого в мешочке из ткани располагается активированный уголь 4 (другой уголь применять нельзя).Мешочки с активированным углем плотно обмотаны ниткой для того, чтобы увеличить контакт угля со стержнем. Толщина слоя угля не должна превышать 15—18 мм. Электролитом служит 15% раствор поваренной соли (пять столовых ложек на литр воды); воду желательно брать мягкую—дождевую или снеговую или дистиллированную. Для улучшения работы аккумуляторов на каждый литр электролита желательно добавить 1—2 грамма борной кислоты и 2—3грамма сахара (сахар добавлять обязательно при длительных циклах разряда).Готовый аккумулятор заряжается постоянным током при напряжении 4,5 вольта на каждую банку (элемент). Заряд аккумуляторов продолжается 10—12часов (до появления газообразования).Емкость аккумулятора зависит только от количества активированного угля примерно 1 ампер • часа на каждые 50— 65грамма угля, при этом количество электролита должно быть 5—6 литров .Эксплуатация аккумулятора (как уже было сказано) имеет один существенный недостаток: электролит необходимо менять раз в неделю. Но дешевизна электролита оправдывает создание и эксплуатацию таких аккумуляторов.
Изобретение относится к электротехнике и касается металлогазовых химических источников тока, в частности методов крепления в них электродного блока.
Известен никель-водородный аккумулятор (HBA) [1], состоящий из корпуса с расположенным в нем электродным блоком, представляющим собой совокупность электрохимических групп, состоящих из разноименных электродов, разделенных сепараторами. Стяжка электродного блока осуществляется с помощью пружины, расположенной вне его, и стержнем. В качестве токосъемов использованы длинные гибкие элементы.
Недостатком этого аккумулятора является сложность конструкции, а также большой вес.
Известен HBA [2], состоящий из корпуса с размещенным в нем электродным блоком, в виде электрохимических групп, разделенных газовыми сепараторами. Токосъем электродов осуществляется через ушки, приваренные к ним. Сжатие электродного блока обеспечивается пружиной, расположенной вне пакета, при этом шины играют роль стяжек.
Недостатком является наличие пружины, что обуславливает дополнительное увеличение веса и повышенную сложность конструкции никель-водородного аккумулятора.
Известен HBA [3], принятый за прототип, состоящий из помещенных в корпус электрохимических групп, совокупность которых образует электродный блок. Каждая электрохимическая группа включает в себя два водородных электрода, расположенный между ними окисно-никелевый электрод, отделенный от водородных электродов электролитоносителями. Электрохимические группы отделены друг от друга газовыми сепараторами. Водородные электроды и окисно-никелевые электроды соединены с соответствующими токоподводами, которые одновременно с токосъемными функциями несут и механическую нагрузку по прижиму блока электродов через стяжные диски. Газовый сепаратор состоит из трехрядного пересечения нитей, соответственно со смещением верхнего и нижнего рядов относительно друг друга.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и низкие удельные характеристики.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом HBA, заключается в упрощении конструкции и повышении удельных характеристик, за счет отсутствия стержней-стяжек и осуществления индивидуального токосъема с каждого разноименного электрода.
Достигается это тем, что в HBA, состоящем из помещенных в корпус электрохимических групп, соединенных с токоподводом и разделенных газовыми сепараторами, поджим вышеуказанных электрохимических групп осуществляется с помощью концевых металлических фланцев, прикрепленных к цилиндрической обечайке корпуса.
По сравнению с прототипом такой способ поджима электродного блока является новым, что и обуславливает соответствие предлагаемого HBA критерию "новизна".
Для доказательства критерия "изобретательский уровень" проанализирована вся совокупность признаков и в отдельности отличительные признаки.
Установлено, что использование концевых металлических фланцев, прикрепленных к цилиндрической обечайке корпуса HBA для поджима электрохимических групп, в литературных источниках не обнаружено и, следовательно, является новым, а в совокупности с другими существенными признаками позволяет получить качественно новый результат, а именно: улучшение удельных характеристик HBA и упрощение его конструкции.
Таким образом, предлагаемая конструкция HBA соответствует критерию "изобретательский уровень".
На чертеже схематично изображен предлагаемый никель-водородный аккумулятор.
В корпусе 1 аккумулятора помещены электрохимические группы 2, совокупность которых образует электродный блок 3. Каждая электрохимическая группа 2 включает в себя два водородных электрода 4 и расположенный между ними окисно-никелевый электрод 5, отделенный от водородных электродов 4 электролитоносителями 6. Электрохимические группы 2 отделены друг от друга газовыми сепараторами 7. Водородные электроды 4 и окисно-никелевые электроды 5 соединены с соответствующими токоподводами 8. Прижим электродного блока 3 осуществляется с помощью концевых металлических фланцев 9, приваренных к цилиндрической обечайке 10 корпуса 1.
Сжатие блока 3 осуществляется следующим образом. Блок 3 зажимается приспособлением между фланцами 9 и в этом состоянии вставляется в обечайку 10. Затем фланцы 9 привариваются к обечайке 10. Когда сжатие блока 3 убирается, блок 3,разжимаясь, давит на фланцы 9, которые растягивают обечайку 10 в осевом направлении.
Таким образом, сжатие блока 3 осуществляется за счет упругого растяжения обечайки 10. Возникающее при этом усилие передается на фланцы 9, которые сжимают блок 3 с необходимым давлением.
Поскольку напряжения, создаваемые в корпусе 1 давлением водорода в тангенциальном направлении, вдвое больше, чем в осевом, и на несколько порядков больше необходимых для сжатия блока электродов 3, то использование корпуса 1 для сжатия блока 3 не потребует увеличения толщины и массы корпуса 1. Этим достигается повышение удельной энергии HBA.
Источники информации 1. Патент США N 4477450, МКИ H 01 M 4/00, опубл. 16.10.84 г.
2. Патент США N 4517264, МКИ H 01 M 2/00, опубл. 14.05.85 г.
3. Патент РФ N 1649985, МКИ H 01 M 12/08, опубл. 1993 г.
Формула изобретения
Никель-водородный аккумулятор, содержащий корпус с помещенным в него электродным блоком, представляющим собой совокупность электрохимических групп, состоящих из положительных и отрицательных электродов и разделенных между собой сепараторами, отличающийся тем, что электродный блок с двух сторон снабжен концевыми металлическими фланцами, прикрепленными к цилиндрической обечайке корпуса.