способ получения электрической энергии

Формула изобретения

Способ получения электрической энергии, при котором образуют пару из положительного и отрицательного электродов, подают в нее гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов и отводят продукты реакции от одного из электродов, отличающийся тем, что электроды разделяют полупроводниковым материалом с дырочной проводимостью, а подачу гомогенной газовой смеси осуществляют в зону контакта поверхности полупроводника только с отрицательным электродом.

Описание изобретения к патенту

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

Наиболее близким к заявляемому способу по количеству совпадающих существенных признаков является 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 (см. заявку WO 91/04587, H 01 M 8/10, 1991 г.).

Известный способ преобразования химической энергии в электрическую имеет следующие недостатки. 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 обуславливает процессы поляризации и разрушения электролита. Другим недостатком является необходимость обеспечить достаточную высокую скорость образования ионов на химически пассивных электродах путем применения дорогостоящих катализаторов или повышения их температуры до 1000К и более.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса непосредственного преобразования химической энергии в электрическую. Поставленная цель достигается предлагаемым способом получения электрической энергии, при котором образуют пару из положительного и отрицательного электродов, подают в нее гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов и отводят продукты реакции от одного из электродов, отличающийся тем, что электроды разделяют полупроводниковым материалом дырочной проводимостью, а подачу гомогенной газовой смеси осуществляют в зону контакта поверхности полупроводника только с отрицательным электродом.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

При адсорбции на поверхность полупроводника с дырочной проводимостью ("p"-типа) молекул окислителя из газовой смеси, подаваемой в зону контакта полупроводника с отрицательным электродом, они становятся акцепторной примесью кристаллической решетки. В результате внутри полупроводника, у его поверхности, образуются "дырки", а адсорбционные молекулы переходят в состояние отрицательно заряженных ионо-радикалов, что сопровождается возникновением двойного электрического слоя и соответствующего потенциального барьера, препятствующего движению "дырок" из полупроводника к его поверхности и электродов в обратном направлении. Образовавшиеся на поверхности ионо-радикалы становятся центрами хемосорбции менее активных молекул восстановителя. При этом между ними происходит химическая реакция при температуре и соотношении компонентов смеси, недостаточных для непосредственного взаимодействия реагентов (гетерогенный катализ), с образованием отрицательных ионо-радикалов продуктов реакции. Достигнув равновесной концентрации на поверхности продукты реакции нейтрализуются и десорбируются с газовую смесь. Образовавшиеся при этом свободные электроны, стремясь уйти из области отрицательного поверхностного заряда, собираются электродом и, проходя по электрической нагрузке, уходят в положительный электрод (в зону контакта которого с полупроводником смесь не поступает), а затем рекомбинируют с "дырками" вблизи контакта этого электрода с полупроводником. Адсорбция новых молекул окислителя поддерживает постоянной концентрацию "дырок" внутри полупроводника, уходящих в противоположном направлении из зоны скачки потенциала в зону рекомбинации. Образовавшиеся продукты реакции могут быть удалены прокачкой смеси, адсорбцией, конденсацией, сепарацией и т.д.

В качестве окислителя в составе смеси может использоваться, например, кислород, воздух, перекись водорода, окислы азота, фтор, хлор и т.д. а в качестве восстановителя водород, угарный газ, метан и другие углеводороды, пары спирта и углеводородного топлива, аммиак, гидразин, продукты неполного сгорания топлива и т.п.

В качестве полупроводникового материала следует использовать полупроводники p-типа, обладающие свойствами катализаторов окислительно-восстановительных реакций. При использовании окислителей на основе кислорода такими материалами являются, например, оксиды переходных металлов Cu₂O, CuO, NiO, CoO, Co₃O₄, Cr₂O₃ MnO, Mn₂O₃ и т.д. Применение таких материалов позволяет создавать простые и технологические конструкции, так как полупроводниковый слой может быть получен путем предварительного окисления металлических электродов. Подача газовой смеси к поверхности полупроводника может производиться через отрицательный электрод, который в этом случае должен быть газопроницаемым, например, в виде тонкого покрытия, допускающего газообмен путем диффузии, либо в виде перфорированного или пористого слоя, проволочной сетки или навивки.

Использование гомогенной смеси реагентов, которую достаточно подавать только к одному из электродов пары, позволяет получить более развитую рабочую поверхность в единице объема, чем это может быть достигнуто в топливных элементах. ЭДС такого источника тока определяется шириной запрещенной зоны между уровнями энергии валентных электронов и электронов проводимости полупроводника. Плотность тока зависит от общей длины зоны тройного контакта поверхности полупроводника с газовой смесью и электродом, давления смеси и температуры. Рабочая температура в свою очередь ограничивается с одной стороны зависимостью скорости каталитической реакции окисления от температуры, а с другой зависимостью полупроводниковых свойств от температуры.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, изображенного в разрезе на чертеже. Электродную пару образуют из сплошного металлического электрода 1 и проволочной сетки 3, между которыми помещают полупроводниковый слой 2, полученный путем предварительного окисления поверхности сплошного электрода 1. Подачу реагентов в направлении, указанном стрелкой 4, и отвод продуктов реакции в направлении стрелки 5, производят путем продувки смеси вдоль поверхности электродов в направлении 6. При этом в ходе реакции, протекающей у границы полупроводникового слоя 2 и сетки 3, возникает разность потенциалов, что вызывает ток в электрической нагрузке 7. В качестве газонепроницаемого электрода используется поверхность меди, которую предварительно окисляют до закиси меди (Cu₂O применялась в купоросных выпрямителях). Газопроницаемый (отрицательный) изготавливают из проволоки диаметром 0,2 мм. В качестве рабочей смеси используют состав 80% O₂ и 20% CO при атмосферном давлении. Рабочая температура ограничивается уровнем предельно допустимой рабочей температуры применяемого полупроводника60 C. Величина э.д. с. составляет в данном случае0,6В, а плотность тока достигает 1 mA на 1 см длины контакта проволоки отрицательного электрода с поверхностью полупроводника. При развитии поверхности до уровня, соответствующего 75% объемной пористости, это обеспечивает мощность до 500 Вт с 1 л рабочего объема при удельном весе 10 кГ/кВт. Такие весовые показатели соизмеримы с сухим удельным весом существующих водородно-кислородных топливных элементов (например, 11,3 кГ/кВт для топливного элемента, разрабатывавшегося фирмой "Дженерал электрик" для многоразового корабля "Спейс шаттл" по данным: С.А. Подшивалов и др. Энергетические установки космических аппаратов. М, Энергоиздат, 1981, с. 86).

Предлагаемый способ может осуществляться с помощью устройств, аналогичных приведенному в примере, но имеющих различное конструктивное исполнение, исходя из условий работы в транспортных и стационарных системах, потребной мощности, состава рабочей смеси и др. конкретных требований.