источник энергии романенко г.и.

Формула изобретения

1 Источник энергии, содержащий иономерную мембрану и электроды, отличающийся тем, что мембрана используется в воздушно-сухом состоянии и в такой ионной форме, при которой противоионы представляют собой частицы с полуцелым спином и большим, чем ядра Н⁺, атомным весом например, Na⁺, K⁺, Rb⁺⁺, Cs⁺, Zn⁺⁺, плотность фиксируемых зарядов в мембране составляет 0,6 - 1,5 мг экв, а степень насыщения ионогенных групп тождественными частицами при одинаковой плотности фиксированных зарядов составляет 0,5 - 36 часов, при этом электроды выполнены из материалов с разными электродными потенциалами, например Ni - Al, Cu - Al.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и тяговой энергетике и может быть использовано в качестве генератора электрического поля, конденсатора или накопителя электрической энергии.

Известен источник электрической энергии - суперконденсатор, где поляризуемой средой является материал, содержащий азиотропное низкомолекулярное вещество, а электроды выполнены из нержавеющей стали. Максимальное значение диэлектрической проницаемости составляет 5,810⁶, при температуре 107^oC, что недостаточно и неудобно при эксплуатации (см. патент США N.5038249 кл. 361-311, 1992 г.).

Известен источник электрической энергии - электрохимический конденсатор, содержащий иономерную перфорированную сульфокатионитовую мембрану в водородной форме, а также электроды в виде частиц окислов металлов платиновой группы и токосъемников, выполненных из вентильных металлов (см. патент США N.5136474 кл.361-502, 1992 г.).

Данное устройство имеет следующие удельные характеристики: величина энергии, отдаваемой в разряде на единицу массы Wm=2,0 Дж/г, а на единицу объема Wv= 5,0 Дж/см³, что также недостаточно. Недостатком устройства является сложность его конструкции.

Целью настоящего изобретения является увеличение указанных удельных характеристик и упрощение конструкции устройства.

Это достигается тем, что в источнике энергии, содержащем иономерную мембрану и электроды, мембрана используется воздушно-сухой и в иной ионной форме, а именно: противоионы представляют собой частицы с полуцелым ядерным спином с большим, чем у H⁺, атомным весом, например, Na⁺, K⁺, Rb⁺,. Cs⁺, а также Zn⁺⁺, плотность фиксированных зарядов в мембране составляет 0,5-1,5 мг, экв/г, а степень насыщения ионогенных групп тождественными частицами при той же плотности фиксированных зарядов составила за 0,5-36 часов, при этом электроды выполнены из материалов с разными электродными потенциалами, например, Ni-Al, Cu-Al.

При таком выполнении источник энергии имеет Wm=6,0 Дж/г, и Wv=11,4 Дж/см³.

нами было установлено, что величина диэлектрической проницаемости (Д.П.) мембраны в воздушно-сухом состоянии зависит от плотности фиксированных зарядов и ионной формы.

Опыты проводились на отечественных промышленных мембранах МК-100 и пленках из сульфированного политрифторстирола. Мембраны МК-100 имели плотность фиксированных зарядов 0,6-0,8 и 1-1,5 мг.экв/г.

При изменении плотности фиксированных зарядов в мембранах в H⁺-форме от 0,6-0,8 до 1-1,5 мг.экв/г величина ДП увеличивалась на 4-5 порядков и достигала значения 10⁷-10⁸ при лабораторной температуре 20^oC. При использовании мембраны в Na⁺ форме ДП достигала той же самой величины при меньшей плотности фиксированных зарядов. Максимальная величина ДП зарегистрирована на иономерном полимере МФ-4СК при плотности фиксированных зарядов 0,93 мг.экв/г и была 10⁹. Поляризация противоион-ионогенной группы также наблюдалась на анианитной мембране.

Выбор ионной формы материала предлагаемой мембраны обусловлен тем, что при использовании других форм иономерных мембран, где противоином являются ядра более легкие, чем Na⁺, например H⁺, величина диэлектрической проницаемости при той же плотности фиксированных зарядов меньше, количество отдаваемой в разряде энергии меньше, разряд проходит быстрее, и устройство заряжается до меньшей величины разности потенциалов.

Параметры стабильны, если мембрана находится в воздушно-сухом состоянии. Это обусловлено тем, что при большей влажности параметры падают, так при набухании мембраны расстояние между фиксированными зарядами увеличиваются и взаимодействия между противоионами уменьшаются. В полностью высушенной мембране параметры тоже падают, поэтому количество воды должно быть таким, чтобы, выполняя роль промежуточной среды, сопутствующей основному процессу поляризации, молекулы воды, входящие в пространство между соседними ионогенными группами, снимали бы влияние поперечных электрических полей, затормаживающих поляризацию противоион-ионогенных групп. Для этого на каждую такую группу должно приходиться некоторое количество молекул воды.

Плотность фиксированных зарядов более, чем 1,5 мг.экв./г, высокая степень насыщения тождественными частицами ионогенных групп при заданной плотности фиксированных зарядов (более 36 часов) или уменьшение содержания воды в мембране приводит к уменьшению или исчезновению сил отталкивания между ионами из-за возникновения при этом антипараллельной ориентации ядерных спинов противоионов в случае спина 1/2 или возникновения углового распределения ионогенных групп в случае спинов более высоких порядков.

При плотности фиксированных зарядов менее 0,6 мг.экв./г и степени насыщения ионогенных групп менее 0,5 часа будет происходить увеличение расстояния между противоионами до такой степени, что силы взаимодействия между ними исчезнут.

Выбором материалов электродов, различающихся значениями электродных потенциалов, достигается усиление величины спонтанной поляризации мембраны или просто возбуждается поляризация исходной мембраны.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена конструкция предлагаемого источника энергии.

Предлагаемый источник энергии содержит иономерную мембрану 1, например, перфорированную сульфокатионитовую типа МФ-4СК, со структурной формулой



где SO₃ - ионогенная группа, Na⁺ - противоион. Плотность фиксированных зарядов в мембране 0,93 мг.экв/г. Мембрана находится в воздушно-сухом состоянии.

Изначально мембрана находится во влажном состоянии: в растворе электролита, например, щелочи NaOH, а затем отмывается до нейтральной pH в деионизированной воде. После чего мембрана сушится на воздухе в боксе при лабораторной температуре до получения ее постоянного веса.

Мембрана непосредственно контактирует с металлическими электродами 2 и 3 из разнородных материалов с возможно большим различием электродных потенциалов, например, Ni-Al или Cu-Al, электроды можно нанести на поверхность мембраны различными способами, например, механический контакт, вакуумными методами, в том числе термическим испарением, ионным распылением или химическим осаждением.

Мембрана может быть сама сформирована и на поверхности электродов, например нанесением раствора полимера на поверхность одного из электродов, с последующим испарением растворителя и нанесением второго электрода на вторую поверхность мембраны. Кроме того, мембрана может быть сформирована на электроде путем осаждения иономерного полимера из газовой фазы или синтеза иономерного полимера на поверхности электрода.

Принцип действия устройства состоит в следующем: происходит взаимодействие посредством принципа Паули противоионов, являющихся тождественными частицами с полуцелым ядерным спином - фермионами, например, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺ или Zn⁺⁺. Это взаимодействие представляет собой силы отталкивания, величина которых зависит от расстояния между соседними фермионами и их ядерной массы. Силы возрастают по мере уменьшения расстояния и увеличения массы ядра и могут достигать 100 эВ/атом. Наличие сил отталкивания приводит к возникновению собственного дипольного момента противоион-ионогенной группы, спонтанной поляризации и высоких степеней поляризуемости ионогенной мембраны. При этом происходит механическое смещение противоиона по отношению к жестко фиксированной ионогенной группе и образованию дипольных моментов с большим расстоянием между зарядами. Это смещение и приводит в конечном счете к возникновению разности потенциалов на электродах 2 и 3.

Смещение противоиона по отношению к ионогенной группе вызывает разность потенциала на электродах, а наличие электрического поля приводит к еще большему механическому смещению проивоионов по отношению к ионогенной группе в результате ее легкой поляризуемости. Эти два процесса взаимодействуют между собой так, что между ними устанавливается своего рода положительная обратная связь: один процесс усиливает другой: смещение противоиона вызывает образование электрического поля на электродах, а электрическое поле приводит к еще большей величине механического смещения противоиона по сравнению с тем, которое наблюдается при спонтанной поляризации. Генерируемой в результате этого процесса электрической энергии хватает на поддержание самого процесса и вывод ее во внешнюю цепь.

Таким образом, преимуществами предлагаемого источника энергии являются: возможность значительного и прогрессивного увеличения удельной энергии, простота конструкции устройства и его изготовления, а также отсутствие редких и дорогостоящих компонентов, использующихся в конденсаторе - прототипе, как необходимое условие его функционирования.