Электрохимический генератор
Предлагаемая конструкции электрохимического генератора, позволяет исключить необходимость обеспечения топливного элемента топливом (водородом из баллонов) и окислителем (кислородом из воздуха), путем получения их из воды за счет ее диссоциации в пузырьках инициированных плазмой и разделяемых за счет применения единого элемента анодов на водород и кислород.
Полезная модель относится к электрохимическому генератору, в котором происходит преобразование химической энергии в электрическую. Генератор может использоваться в качестве стационарного источника электрической энергии (преимущественно большой мощности) в любой отрасли промышленности: энергетике, машиностроении, и др.
Генераторы, основанные на электрохимическом способе преобразования энергии, известны.
К ним относятся наряду с гальваническими элементами и аккумуляторами, топливные элементы.
Топливные элементы включают в основном пару электродов - анод и катод, а также ионный проводник - электролит, например, раствор щелочи или кислоты, или расплав карбонатов, расположенный между ними.
В зависимости от физического состояния электролита топливные элементы подразделяют на элементы с жидким электролитом и твердым электролитом.
Через электроды во время работы топливного элемента пропускают газообразные реагенты: через анод - реагент, называемый топливом, а через катод - реагент, называемый окислителем.
В качестве топлива в топливных элементах обычно используют водород (H 2), реже оксид углерода (CO) и метан (CH4), а в качестве окислителя - кислород (O2), в том числе кислород воздуха.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является электрохимический генератор, включающий, по крайней мере, один топливный элемент, состоящий из пористой матрицы, пропитанной необходимым количеством жидкого электролита, пары электродов: топливного электрода (обеспечивающего элемент водородом) и воздушного электрода (обеспечивающего элемент кислородом), которые расположены по обе стороны пористой матрицы и электролизер (Патент США 
5677073, по кл. H01M 27/00).
Известная конструкция объединяет два процесса: работу топливного элемента и электролизера, вырабатывающего компоненты водород и кислород для него.
Недостатком этого генератора является то, что топливный элемент сложен в изготовлении и имеет высокую стоимость, т.к. требуются:
- специальные материалы для матрицы;
- специальное средство для постоянного контроля количества электролита, которое уменьшается во время работы генератора;
- снабжения электролитом матрицы;
- специальные средства для объединения элементов в батареи.
Известная конструкция практически объединила недостатки современных топливных элементов и электролизеров, которые кроются в низкотемпературной возможности работы полимерных электролитов на основе сульфатированных политетрафторэтилена, обладающих к тому же недостаточно высокой ионной проводимостью и, как следствие, необходимости компрессионного очищения анодной поверхности топливного элемента.
Еще одним недостатком электрохимического генератора является доставка продуктов электролиза водорода и кислорода к катоду и аноду топливного элемента в стехиометрическом соотношении.
Так как объемное соотношение выделяющихся в электролизере продуктов сильно отличаются, даже не считать «утечку» водорода по дороге к топливному элементу, то возникает необходимость создания буферных емкостей для водорода и кислорода.
Введение не надежного и сложного элемента для нагрева и охлаждения водородной емкости для:
а) предотвращения охлаждения вплоть до замораживания внутри в процессе эндотермической генерации;
б) перегрев газа при экзотермической компрессии в процессе регенерации топливного элемента.
Такая мера предпринята исходя из необходимости снижения веса системы и повышения ресурса работы на мощностях до 30 Кватт.
Из-за наличия разного давления в емкостях для водорода и кислорода известная конструкция имеет сложную конструкцию клапанов выравнивания.
Использование дорогостоящих композитов углепластиков с защитным слоем на внутренние поверхности, контактирующие с водородом и кислородом, из-за их несплошности приводит к выделению экзотермической энергии в импульсном режиме.
Использование в топливном элементе, как монолитных, так и пористых катода и анода, разделенных протонной мембраной класса NAFION.T.M., значительно снижает надежность работы генератора электрической энергии, т.к. довольно сложно регламентировать дисперсность микропор, их морфологию и ее воспроизводимость при изготовлении катодов и анодов, учитывая, что размеры сквозной пористости измеряются ангстремами.
Также недостатком известного электролизера его плохая работа в режиме короткого импульса тока и в условиях протока электролита.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создание конструкции электрохимического генератора, позволяющего исключить необходимость обеспечения топливного элемента топливом (водородом из баллонов) и окислителем (кислородом из воздуха), путем получения их из воды за счет ее диссоциации в пузырьках инициированных плазмой и разделяемых за счет применения палладиевых анодов на водород и кислород.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием электрохимического генератора, включающего топливный элемент, палладиевые анод и катод которого, разделены друг от друга полимерным электролитом, электролизер и источник питания с токоподводами, согласно, полезная модель, электролизер выполнен в виде плазмотрона, состоящего из вертикально-цилиндрический корпуса с патрубками для ввода среды плазмообразования и вывода газообразных продуктов, расположенной в корпусе герметичной межэлектродной камеры с цилиндрическими электродами, причем топливный элемент установлен в межэлектродной камере плазмотрона, и закреплен на торцевых поверхностях корпуса, причем анод плазмотрона и анод топливного элемента выполнены в виде единого элемента (анода), и между анодом и катодом топливного элемента расположен электролит из твердого полимерного материала, а пространство между катодом плазмотрона и анодом заполнено водой, при этом второй электрод-катод, плазмотрона закреплен на цилиндрической части прозрачного корпуса, причем катод и анод плазмотрона выполнены из материала, невзаимодействующего с водородом и кислородом, при этом часть катода топливного элемента, расположенная над средой плазмообразования имеет сквозную пористость, предназначенную для пропускания во внутренний объем топливного элемента кислорода или озона, а полимерный электролит выполнен из сульфатированного политетрафторэтилена, и патрубки для ввода среды плазмообразования выполнены на верхней торцевой поверхности корпуса.
Выполнение анода плазмотрона и анода топливного элемента в виде единого элемента (анода) позволяет упростить конструкцию генератора, т.к. с одной стороны он выполняет роль электрода диссоциации воды, а с другой - он является электродом топливного элемента в цепи которого и генерируют электрический ток.
Использование в качестве материала, невзаимодействующего с водородом и кислородом или никелевую фольгу, или нановолокнистого никеля, или кобальта или нержавеющую сталь позволяет собрать накапливающиеся в процессе «горения» плазмы примеси в виде соединений особенно тяжелых металлов (соли, щелочные гидриды, механические примеси).
Наличие у катода плазмотрона смотрового окно вдоль образующей цилиндра, предназначенного для контроля за горением позволяет проводить наблюдения за протеканием процесса плазменной диссоциацией воды.
Наличие у катода топливного элемента выхода, предназначенного для вывода горячей воды из него, и соединение его с вводом среды плазмообразования плазмотрона позволяет создать замкнутый цикл работы электрохимического генератора, за счет использования горячей воды в качестве среды плазмообразования.
Предлагаемый электрохимический генератор снабжен экраном, размещенным в корпусе плазмотрона над средой плазмообразования и обеспечивающим возврат ее паров в среду.
Предлагаемый электрохимический генератор обладает дополнительно рядом достоинств, а именно: прост в изготовлении и надежен, т.к. не несет в себе конструктивных элементов эксплуатация, которые могут отказать по причине «человеческого фактора».
- не имеет ограничений по чистоте воды (среды плазмообразования);
- имеет компактный источник питания плазмотрона;
- обладает малым весом по отношению к вырабатываемому току.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных конструкциях электрохимических генераторов, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Предлагаемый электрохимический генератор поясняется следующим описанием и чертежом, где показана конструкция электрохимического генератора в разрезе.
Электрохимический генератор включает топливный элемент, анод 1 и катод 2, разделенные друг от друга полимерным электролитом 3, электролизер и источник питания 4 с токоподводами 5.
Электролизер выполнен в виде плазмотрона, состоящего из вертикально-цилиндрический корпуса 6 с патрубками для ввода 7 среды плазмообразования и вывода 8 газообразных продуктов, расположенной в корпусе герметичной межэлектродной камеры 9 с цилиндрическими электродами, выполненными из материала, невзаимодействующего с водородом и кислородом.
В зависимости от технологических возможностей этим материалом может быть или никелевая фольга, или никель, или кобальт или нержавеющая сталь.
Топливный элемент установлен в межэлектродной камере 9 плазмотрона, и закреплен на торцевых поверхностях корпуса 6.
Анод плазмотрона и анод топливного элемента выполнены в виде единого элемента 1 (анода).
Между анодом 1 и катодом 2 топливного элемента расположен электролит 3 из твердого полимерного материала, например, сульфатированно то политетрафторэтилена.
Пространство между катодом 10 плазмотрона и анодом 1 заполнено средой плазмообразования, например, водой. 15
Катод 10 плазмотрона закреплен на цилиндрической части прозрачного корпуса 6.
Катод 10 плазмотрона имеет смотровое окно 11 вдоль образующей цилиндра, предназначенное для контроля за горением плазмы.
Часть 12 катода топливного элемента, расположенная над средой плазмообразования имеет сквозную пористость, предназначенную для пропускания во внутренний объем топливного элемента кислорода или озона.
Патрубки 7 для ввода среды плазмообразования выполнены на верхней торцевой поверхности корпуса 6.
Катод 10 топливного элемента имеет выход 13, предназначенный для вывода горячей воды из него, и связанный с патрубком 7 среды плазмообразования плазмотрона.
Предлагаемая полезная модель снабжена экраном 14, размещенным в корпусе 6 плазмотрона над средой плазмообразования для возврата ее паров обратно в корпус, что позволяет более экономно расходовать количество среды плазмообразования, т.е. используемой воды.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Внутрь корпуса 6 плазмохимотрона заливают воду через патрубок 7 для ввода среды плазмообразования и поддерживают на указанном максимальном уровне диссоциации воды.
Создают разность потенциалов между электродами плазмохимотрона, путем подачи тока и напряжения между катодом - никелевой фольгой и анодом обмоткой никеля.
В результате в межэлектродном пространстве, заполненным водой «зажигают» плазму емкостного разряда и образуют водород, кислород, озон.
Напряжение между электродами подают под визуальным контролем за плазмой, не допуская резкого вскипания воды.
На момент запуска плазмохимотрона не допускается пополнение уровня воды, т.к. это делает плазму не стабильной.
По мере диссоциации и испарения воды ее уровень непрерывно поддерживают постоянным, в зависимости от потребных объемов водорода и кислорода.
Водород, проникая через палладиевый анод в ионизированном виде попадает в твердый электролит из политетрафторэтилена.
И далее в виде иона водорода поступает к катоду топливного элемента, отдавая ему электроны проводимости.
Кислород и озон, получаемые при диссоциации воды в результате плазменной обработки поступает во внутреннюю часть катода 2 топливного элемента взаимодействует с водородом и образует горячую воду, которую можно использовать для отопления помещений или просто в качестве горячей воды
Так как выход 13 катода топливного элемента предназначен для вывода горячей воды из него, и связан с вводом 7 среды плазмообразования плазмотрона, то может быть организован непрерывный процесс работы генератора.
В цепи анод-катод топливного элемента течет электрический ток, пропорциональный количеству ионов водорода и кислорода, озона.
Была испытана предлагаемая полезная модель и получены следующие результаты: источник питания плазмотрона потребил 1 Квт, что привело к образованию тока в цепи топливного элемента 100 А.
1. Электрохимический генератор, включающий топливный элемент, палладиевые анод и катод которого разделены друг от друга полимерным электролитом, электролизер и источник питания с токоподводами, отличающийся тем, что электролизер выполнен в виде плазмотрона, состоящего из вертикально-цилиндрический корпуса с патрубками для ввода среды плазмообразования и вывода газообразных продуктов, расположенной в корпусе герметичной межэлектродной камеры с цилиндрическими электродами, причем топливный элемент установлен в межэлектродной камере плазмотрона и закреплен на торцевых поверхностях корпуса, причем анод плазмотрона и анод топливного элемента выполнены в виде единого элемента (анода), и между анодом и катодом топливного элемента расположен электролит из твердого полимерного материала, а пространство между катодом плазмотрона и анодом заполнено водой, при этом второй электрод, катод, плазмотрона закреплен на цилиндрической части прозрачного корпуса, причем катод и анод плазмотрона выполнен из материала, невзаимодействующего с водородом и кислородом, при этом часть катода топливного элемента, расположенная над средой плазмообразования имеет сквозную пористость, предназначенную для пропускания во внутренний объем топливного элемента кислорода или озона, а полимерный электролит выполнен из сульфатированного политетрафторэтилена, и патрубки для ввода среды плазмообразования выполнены на верхней торцевой поверхности корпуса.
2. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, невзаимодействующего с водородом и кислородом, используют или нановолокнистый никель, или никелевую фольгу, или никель, или кобальт, или нержавеющую сталь.
3. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что катод плазмотрона имеет смотровое окно вдоль образующей цилиндра, предназначенное для контроля за горением плазмы.
4. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что катод топливного элемента имеет выход, предназначенный для вывода горячей воды из него, и связанный с вводом среды плазмообразования плазмотрона.
5. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен экраном, размещенным в корпусе плазмотрона над средой плазмообразования и предназначенным для возврата ее паров в среду.
