ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROCHEMICAL TRANSDUCER

Изобретение предназначено для превращения механической, тепловой или световой энергии в электричество посредством электрохимических реакций. Может применяться в различных устройствах, потребляющих электрический ток.
Известно несколько способов получения электричества. Основным из них является использование электрических машин, вырабатывающих ток в результате взаимодействия проводников с магнитным полем. Также широко применяются первичные и вторичные химические источники тока, у которых при работе изменяются как электроды, так и электролит [1].
Электроды менее популярных топливных элементов инертны, но здесь требуется непрерывная подводка топлива и окислителя. В качестве топлива чаще всего используется водород. Из возможных окислителей в разное время были изучены кислород, перекись водорода, азотная кислота, бром и хлор [2]. Самым эффективным, как и следовало ожидать, оказался топливный элемент, использующий пару водород-хлор. Хотя методов компактного и безопасного хранения водорода и хлора пока не разработано, данный вариант до сих пор вызывает интерес [3, 4].
Наиболее близким к представленному ниже устройству можно считать топливный элемент, у которого имеются такие же конструктивные признаки, и присутствуют те же вещества, а именно нерастворимые электроды, водный электролит, хлор и хлористый водород [5].
Существенное отличие всех топливных элементов - подводка топлива и окислителя - не всегда является приемлемым. Кроме того, пока нет вариантов этого устройства, достойных массового производства.
Оказалось, что можно создать непрерывно работающий источник тока, имеющий некоторое сходство с топливным элементом, но вместо окислителя и топлива использующий механическую, тепловую или световую энергию.
Конструкция такого преобразователя представлена в разрезе на фиг.1. В заполненном смесью хлора и хлороводорода сосуде 1 имеется средство для перемешивания 2. Последнее может быть механическим или конвективным с источником тепла. В частности, возможен нагрев с помощью светового или теплового излучения, для проникновения которого у стенки есть прозрачный участок 3. Сосуд 1 имеет отверстия сверху и снизу, переходящие в газовые каналы 4 и 5 соответственно. Последние закрыты капиллярным носителем 6, прижатым в верхнем канале к аноду 7, а в нижнем - к катоду 8. Капиллярный носитель пропитан содержащим хлор и хлороводород водным электролитом, избыток которого находится в полости 9.
Устройство функционирует следующим образом. В точках контакта электролита с анодом и катодом протекает обратимая реакция:
В сосуде 1 хлор и хлороводород вследствие непрерывного перемешивания имеют неизменные парциальные давления по всему объему. Однако из-за разной плотности хлор в канале 4 опускается, а хлороводород в канале 5 поднимается к капиллярному носителю 6. Так как содержание растворенного в жидкости газа прямо пропорционально парциальному давлению, максимум концентрации хлора в электролите оказывается около анода, а хлороводорода - около катода. Это приводит в результате реакции (1) к появлению между анодом и катодом разности потенциалов, вычисляемой по формуле Нернста. В преобразованном для нашего случая виде, где напряжение Δφ получается в милливольтах, она выглядит так:
A
K
C и C соответствуют концентрациям обозначенных в скобках веществ в электролите около анода и катода соответственно. Поскольку вблизи анода больше хлора, а вблизи катода больше хлороводорода, поставляющего ионы хлора, то оба слагаемых в формуле (2) имеют положительные значения.
При подключении нагрузки реакция (1) на аноде протекает в сторону превращения нейтрального хлора в его отрицательные ионы. Получающийся хлороводород улетучивается в канал 4 и поднимается в сосуд 1. На катоде реакция (1) идет влево с образованием из ионов хлора нейтральных молекул, которые выделяются в форме газа в канал 5 и опускаются в сосуд 1.
Корпус опытной ячейки был выполнен из фторопласта. Для электродов использовался графит. Циркуляция газовой смеси осуществлялась с помощью железного стерженька в пластиковой оболочке, раскручиваемого внешними магнитами на вращающемся кронштейне (лабораторная магнитная мешалка).
2
На фиг.2 приведена экспериментальная нагрузочная характеристика - зависимость напряжения U(B) от плотности тока J (мА/см) на поверхности электродов. В противовес скромному напряжению преобразователь выдает значительные плотности тока.
Тот факт, что в объекте изобретения отсутствуют явные энергетические потери, дает основание надеяться на высокую эффективность преобразования механической, тепловой или световой энергии в электричество. Кроме того, устройство отличается низкой стоимостью, поскольку не содержит редких или драгоценных материалов, и не требует дорогостоящих технологических процессов при изготовлении.
Источники информации
1. В.Р.Варламов. Современные источники питания. Справочник. 2-е изд., исп. и доп. - М.: ДМК Пресс, 2001 г.
2. В.Фильштих. Топливные элементы. Перевод с немецкого под ред. В.С.Багоцкого. - М., Мир, 1968 г.
3. Патент США №5041197 от 20.08.1991.
4. Патент РФ №2336606 от 08.05.2007.
5. Патент Великобритании №934145 от 29.09.1959.