Электрохимический элемент

 

Использование: концентрационные источники тока. Сущность изобретения: электрохимический элемент содержит диэлектрический корпус с внутренним диаметром 5 мм, заполненный электролитом - 1,5 нормальным раствором (NH₄)₂SO₄, расположенный вертикально и снабженный теплоизоляцией, и индеферентные электроды в электролите на расстоянии 85 см. Внутри корпуса может быть расположен катализатор на основе платины. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в первичных химических источниках тока.

Известен электрохимический элемент, включающий анод из щелочного металла, инертный электропроводящий катод и электролит на основе водного раствора гидроокиси щелочного металла [1] Недостатком такого элемента является его невозобновляемость и экологическая загрязненность.

Известен герметический химический источник тока, содержащий разнополярные электроды, разделенные сепаратором, электролит, корпус, уплотнительное кольцо и крышку [2] Недостатком такого элемента является его невозобновляемость и сложность конструкции крышки.

Наиболее близким по конструкции является герметический химический источник тока, содержащий разнополярные индиферентные электроды, разделенные сепаратором, электролит, корпус, уплотнительное кольцо и крышку [3] Недостатком данного химическими элемента является его конечный срок службы, обусловленной разрушением основных его элементов, в основном электролита, что происходит в процессе его эксплуатации.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно создание возобновляемого химического источника электротока.

Указанная цель достигается тем, что в электрохимическом источнике электротока (элемент), содержащем разнополярные индиферентные электроды и жидкий электролит, размещенные в корпусе, последний выполнен из диэлектрического материала в виде длинной трубки, в торцах которой закреплены электроды, устанавливаемой в рабочем положении строго вертикально.

С целью получения экологически чистого химического источника тока в верхней части корпуса укрепляют пластину из платинированного асбеста, которая выполняет роль катализатора в химических реакциях, проходящих в среде электролита.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается выполнение корпуса в виде длинной трубки, в торцах которой укреплены электроды из индиферентного (инертного к проходящим химическим реакциям) материала, причем в рабочем положении корпус (трубка) должна быть укреплена строго вертикально. Обычно в известных электрохимических элементах одним из электродов (как правило "катодом") является корпус, материал которого участвует в химических реакциях (см. Дасоян М.А. и др. Производство электрических аккумуляторов М. 1965 или Топливные элементы. Под редакцией Г.Д. Инга, из-во И.А. М. 1963).

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого технического решения и с другими аналогичными решениями показывает, что пространственная ориентировка корпуса элемента строго вертикально не присуща ни одному из известных химических источников тока, которые, как правило, могут работать в любом положении, лишь были бы соблюдены условия, при которых было бы предотвращено вытекание электролита. В предлагаемом решении требование вертикального расположения корпуса (трубки) определяющее, так как в другом положении работа источника менее эффективная, а при горизонтальном положении трубки источник тока работать не будет. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображен электрохимический элемент, продольный разрез; на фиг. 2 продольный разрез герметического электрохимического элемента.

Электрохимический элемент состоит из корпуса 1, выполненного в виде длинной трубки. Материалом трубки должен быть любой диэлектрик, например стекло. Поперечное сечение трубки может представить собой любую геометрическую фигуру круг, квадрат и т.п. этот элемент неопределяющий. Торцы трубки 1 перекрываются заглушками 2, которые могут быть выполнены из того же материала, что и корпус 1, но может быть использован другой материал, например резина. В заглушках укреплены электроды 3, выполненные из индеферентного материала, например графита. В корпус 1 элемента заливается раствор электролита 4, например 1,5 нормальный раствор (NH₄)₂SO₄. Корпус 1, с целью исключения возникновения конвекционных потоков, покрывается еще одним слоем теплоизолятора 5 (стекловата, пенопласт и т.п.). В верхней заглушке 2 выполнено дренажное отверстие 6 (фиг.1) для выхода газообразных водорода и кислорода (продуктов реакции электрохимического разложения воды). Для электрического замыкания цепи служат проводники 7, которые подключают к элементу амперметр 8 через выключатель 9.

В герметическом электрохимическом элементе в верхней части корпуса 1 укреплена пластина 10 (фиг. 2), выполненная из платинированного асбеста и служащая катализатором.

Работает электрохимический элемент следующим образом. Молекула (NH₄)₂SO₄ в водном растворе диссоцируют на положительные ионы NH₄⁺ и отрицательные ионы SO₄^{- -}, характер распределения которых по высоте трубки под действием гравитационного поля земли существенно отличается друг от друга. Диаметр гидратированного иона NH4+ составляет около 3,2 3,2, а молекулярная масса 18 у.е. Диаметр же гидратированного иона SO₄^{- -} составляет около 4,4 4,4, а молекулярная масса 96 у.е. Эти различия приводят к тому, что более тяжелые ионы SO₄^{- -} увеличивают свою концентрацию к нижней части трубки, в то время как ионы NH₄⁺ распределяются по высоте трубки более равномерно. Весь процесс пеpеpаспpеделения ионов в растворе с внутренним диаметром трубки 0,5 см и высотой 85 см при температуре в 20^оС занимает около суток. В результате этого между поверхностными и придонными слоями раствора появляется разность потенциалов около 0,05 В. Мощность такого электрохимического элемента составляет около 10^-8 Вт. При замыкании электрической цепи с помощью выключателя 9 по цепи электролит 4, электроды 3, проводники 7 и амперметр 8 пойдет электрический ток, который приведет к разложению электролита 4. В случае с раствором (NH₄)₂SO₄ происходит разложение воды и выделении на верхнем электроде водорода, а на нижнем кислорода. Эти оба газа диффундируют через раствор электролита 4 и через отверстие 6 в верхней части корпуса выходят в атмосферу. При непрерывной работе данного элемента разложение 1 мл воды происходит через 3˙10⁶ ч. Добавление воды в раствор приводит элемент в первоначальное состояние. Соединение водорода с кислородом с образованием воды может происходить естественным образом или в присутствии катализаторов, а это указывает на возобновляемость элемента.

В данной конструкции возможно использовать раствор любого электролита в любой концентрации, в том числе и смеси электролитов. Отличия будут заключаться только в величине разности потенциалов, силе тока и продуктах разложения электролиза. Увеличение мощности может быть достигнуто соединением нескольких элементов в батарею, увеличением высоты корпусов, либо их диаметров с одновременным увеличением площади контакта электродов 3 с электролитом 4.

В качестве наиболее мощных источников тока могут использоваться природные растворы электролитов, каковыми являются морская вода и вода соленых озер. Благодаря большим глубинам и практически неограниченной массе электролита, используя при этом электроды большой площади, можно получать электроэнергию в количествах, достаточных для ее промышленного применения.

В герметическом электрохимическом элементе используется пластина платинированного асбеста 10 (фиг.2), который является катализатором, на котором происходит соединение водорода с кислородом с образованием воды. Образованная вода выпадает в раствор и посредством диффузии равномерно распределяется в нем, при этом цикл превращений воды замыкается, элемент становится возобновляемым в полном смысле этого слова.

В данном элементе можно использовать раствор любого электролита, при разложении которого выделяется водород и кислород это практически все кислородсодержащие кислоты, соли щелочных металлов этих кислот и щелочи. В случае работы с другими соединениями и выделения других продуктов электролиза, возможно применение иных катализаторов, возвращающих продукты электролиза в исходное состояние.

Основным преимуществом данного элемента является его абсолютная экологическая чистота, простота изготовления и долговечность.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий диэлектрический корпус с электролитом и индиферентные электроды, отличающийся тем, что корпус расположен вертикально и снабжен теплоизоляцией, а в качестве электролита используется 1,5 н. раствор (NH₄)₂SO₄ при расстоянии между электродами 85 см и внутренним диаметром корпуса 5 мм.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что внутри корпуса размещен катализатор на основе платины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2