Способ получения электрической энергии

 

Изобретение относится к источникам постоянного тока. Способ получения электрической энергии включает образование пары из электродов, разделение их полупроводниковым материалом, обладающим свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций, подачу гомогенной газовой смеси, состоящей из окислительного и восстановительного реагентов, в зону контакта поверхности полупроводника с газопроницаемым электродом и отвод из смеси продуктов реакции. Между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом образуют выпрямляющий контакт. Толщину полупроводника выбирают из условия, при котором расстояние от каталитической поверхности до выпрямляющего контакта не превышает значение диффузионной длины для неосновных носителей заряда в полупроводниковом материале. Способ обладает повышенной эффективностью. 1 ил.

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока.

Известен способ получения электрической энергии, при котором образуют электродную пару из сплошного положительного электрода с селективным катализатором восстановления окислителя и газопроницаемого отрицательного электрода с селективным катализатором окисления топлива, электроды разделяют проницаемым для газа слоем оксида, обладающего ионной проводимостью, и подают гомогенную смесь окислительного и восстановительного газов к отрицательному электроду (WO 91/04587, H 01 M 8/10, 1991 г.). Недостатки известного способа заключаются в следующем.

Использование проводника с ионной проводимостью ограничивает допустимую величину плотности тока, так как ионы, при прочих равных условиях, имеют значительно меньшую подвижность, чем электроны и "дырки" в металлах и полупроводниках, а их перемещение непосредственно связано с переносом вещества, что обусловливает процессы поляризации и разрушения электролита. Другим недостатком является необходимость обеспечить высокую скорость образования ионов на химически пассивных электродах путем применения дорогостоящих катализаторов из металлов платиновой группы или повышения их температуры до 700 ^oC и более.

Наиболее близким к заявляемому способу по количеству совпадающих существенных признаков является способ получения электрической энергии, при котором образуют пару из положительного и отрицательного электродов, разделяют их полупроводниковым материалом с дырочной проводимостью, обладающим свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций, подают гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов, в зону контакта поверхности полупроводника только с отрицательным электродом и отводят продукты реакции от одного из электродов (Пат. России N 2079934, H 01 M 8/10, 14/00, заявл. 16.03.94, опубл. 20.05.97).

Известный способ имеет следующие недостатки. Для разделения электронно-дырочных пар, образующихся на поверхности полупроводника в ходе каталитической реакции между газообразными реагентами, используется двойной электрический слой, возникающий при адсорбции молекул газовой смеси на этой поверхности. При этом условия адсорбции молекул, необходимые для образования указанного двойного слоя, (состав и давление смеси, температура поверхности) могут значительно отличаться от оптимальных условий протекания каталитической реакции. Это приводит к снижению энергетической эффективности известного способа и осложняет выбор материала полупроводникового катализатора.

В основу заявляемого изобретения положена задача создания способа получения электрической энергии, обеспечивающего повышение эффективности процесса непосредственного преобразования химической энергии в электрическую.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого способа, состоит в повышении КПД процесса преобразования и в расширении номенклатуры материалов полупроводникового катализатора.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения электрической энергии, при котором образуют пару из электродов, разделяют их полупроводниковым материалом, обладающим свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций, подают гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов, в зону контакта поверхности полупроводника с одним из электродов и отводят из смеси продукты реакции, при этом между полупроводниковым катализатором и противоположным электродом образуют выпрямляющий контакт, а толщину полупроводника выбирают из условия, при котором расстояние от каталитической поверхности до выпрямляющего контакта не превышает значение диффузионной длины для неосновных носителей заряда в полупроводниковом материале.

Сущность предлагаемого способа получения электрической энергии заключается в следующем.

Процессы адсорбции реагентов, реакции каталитического горения и десорбции продуктов сгорания на поверхности полупроводника сопровождаются генерацией в его приповерхностном слое неравновесных электронно-дырочных пар. Если толщина полупроводника не превышает величину диффузионной длины L = (D)^1/2 (где D - коэффициент диффузии, - время жизни неравновесных носителей) для неосновных носителей заряда (электронов в полупроводниках p-типа, дырок в полупроводниках n-типа) в полупроводниковом материале, то большая часть неосновных неравновесных носителей достигает выпрямляющего контакта и беспрепятственно проходит через него к противоположному электроду. Основные носители (дырки в полупроводнике p-типа, электроны в полупроводнике n-типа) не могут проникнуть через выпрямляющий контакт и накапливаются у поверхности полупроводника. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Продукты каталитического сгорания удаляются потоком газовой смеси.

Указанный выше выпрямляющий контакт на границе между электродом и полупроводниковым катализатором может быть образован известными способами. Например, при условии, что электрод выполнен из полупроводникового материала, который имеет противоположный по отношению к материалу катализатора тип проводимости или имеет со стороны, обращенной к катализатору, покрытие из такого материала (p-n переход), либо электрод изготовлен из металла, работа выхода электронов поверхности которого значительно отличается от работы выхода поверхности материала катализатора (меньше чем у полупроводника p-типа или больше чем у полупроводника n-типа соответственно), или имеет покрытие из такого металла (барьер Шоттки), либо электрод изготовлен из вентильного металла или имеет покрытие из такого металла и поверхность этого металла покрыта анодной окисной пленкой (структура металл-окисел-полупроводник) и т.д.

В качестве горючего в составе гомогенной газовой смеси может использоваться водород, метан и другие газообразные углеводороды, пары спиртов или жидкого углеводородного топлива, продукты неполного сгорания или газовой конверсии и т.п., а в качестве окислителя - воздух, кислород, перекись водорода и т.д.

В качестве полупроводникового катализатора могут использоваться, например, сложные оксиды переходных металлов на основе CuO, NiO, Co₃O₄, Cr₂O₃, Mn₂O₃ и др. со структурой типа шпинели. На их поверхности может эффективно осуществляться каталитическое сгорание газовых смесей указанного выше состава при температурах 150-450^oC. При таких температурах эти материалы являются полупроводниками (как правило p-типа). Характерные значения диффузионной длины для неравновесных носителей заряда в полупроводниках, определяющие максимальную толщину полупроводникового материала, достигают десятков микрометров.

В зависимости от способа создания выпрямляющего контакта на границе с катализатором (p-n переход, барьер Шоттки или вентильная МОП-структура) в качестве материала электрода или его дополнительного покрытия могут использоваться оксиды, такие как Cu₂O, ZnO, TiO₂ и др., полупроводниковые материалы - Si, SiC, CdS и т.п., металлы и сплавы с низкой или высокой работой выхода электронов, например Zr, Ti, редкоземельные элементы или Ni, W, Mo и др., графит, вентильные металлы - Al, Ta, Nb и т. п.

Газопроницаемый электрод, в зону контакта которого с полупроводниковым катализатором подается рабочая смесь, может быть выполнен в виде сплошного тонкого покрытия на полупроводниковом катализаторе, допускающего газообмен путем диффузии, либо в виде перфорированного или пористого слоя, нанесенного на поверхность полупроводника или прижатого к этой поверхности, либо в виде проволочной сетки, навивки и т.п. из электропроводного корозионно-стойкого материала, например нержавеющей стали, никеля, углеродного волокна, благородных металлов и т.д.

Пример осуществления способа Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, изображенного в разрезе на чертеже. Электродную пару образуют из сплошного 1 и перфорированного 2 электродов, между которыми помещают полупроводниковый катализатор 3. Между катализатором 3 и электродом 1 образуют выпрямляющий контакт 4, для создания которого электрод 1 имеет дополнительное покрытие 5 из вентильного металла, окисленного со стороны, обращенной к катализатору. Вдоль поверхности катализатора осуществляют прокачку газовой смеси горючего с окислителем и продуктами реакции в направлении, указанном стрелкой 6, а электроды снабжают токовыводами 7 и 8, соединенными с электрической нагрузкой 9.

При поступлении горючего и окислителя из потока газовой смеси к поверхности полупроводника происходит реакция каталитического горения, сопровождающаяся адсорбцией реагентов и десорбцией продуктов сгорания, что вызывает генерацию неравновесных электронно-дырочных пар в его приповерхностном слое, а разделение этих пар выпрямляющим контактом приводит к возникновению разности потенциалов между электродами и возникновению тока в электрической нагрузке.

В рассматриваемом примере в качестве материала сплошного электрода используют титан, поверхность которого окислена в соответствии с технологией, использовавшейся при производстве титановых выпрямителей. Полупроводниковый катализатор представляет собой покрытие из окиси или титаната никеля толщиной до 3 мкм, нанесенное на окисленную поверхность титана, а перфорированный электрод выполнен из нержавеющей стали. Такой выбор материалов при температуре 300-500^oC обеспечивает наличие выпрямляющего контакта и каталитическое окисление углеводородных топлив.

Величина ЭДС рассматриваемого устройства достигает 0,5 В, плотность тока 100 mA на 1 см поверхности при КПД преобразования энергии до 40%.

Формула изобретения

Способ получения электрической энергии, при котором образуют пару из сплошного и газопроницаемого электродов, разделяют их полупроводниковым материалом, обладающим свойствами катализатора окислительно-восстановительных реакций, подают гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов, в зону контакта полупроводника с газопроницаемым электродом и отводят из смеси продукты реакции, отличающийся тем, что между полупроводниковым катализатором и сплошным электродом образуют выпрямляющий контакт, а толщину полупроводника выбирают из условия, при котором расстояние от каталитической поверхности до выпрямляющего контакта не превышает значение диффузионной длины для неосновных носителей заряда в полупроводниковом материале.

РИСУНКИ

Рисунок 1