RU2136072C1

RU2136072C1 - Energy supply

Info

Publication number: RU2136072C1
Application number: RU96120805/09A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Романенко
Original assignee: ООО МВП "Фильтр"
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; electric field generators, capacitors, or energy storages. SUBSTANCE: energy source has ion-metering membrane and electrodes. Membrane used is air-dry and in other ionic form in which counterions are particles with half-integer spin whose atomic weight is higher than that of H⁺, for example, Na⁺, K⁺, Rb, Cs⁺, as well as Zn⁺⁺; density of immobilized charges in membrane is 0.6-1.5 mg-eq/g; saturation of ionogenic groups by identical particles at same density of immobilized charges takes place within 0.5-36 h; electrodes are made of materials having different electrode potentials, such as Ni-Al, Cu-Al. EFFECT: increased energy released in discharge per unit of mass and volume. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и тяговой энергетике и может быть использовано в качестве генератора электрического поля, конденсатора или накопителя электрической энергии. The invention relates to electrical engineering and traction energy and can be used as an electric field generator, capacitor or electrical energy storage device.

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 5,8•10⁶, при температуре 107^oC, что недостаточно и неудобно при эксплуатации (см. патент США N.5038249 кл. 361-311, 1992 г.).A known source of electrical energy is a supercapacitor, where the polarized medium is a material containing an aziotropic low molecular weight substance, and the electrodes are made of stainless steel. The maximum value of the dielectric constant is 5.8 • 10 ⁶ , at a temperature of 107 ^o C, which is insufficient and inconvenient during operation (see US patent N.5038249 class. 361-311, 1992).

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.). A known source of electrical energy is an electrochemical capacitor containing an ionomeric perforated sulfocationionite membrane in hydrogen form, as well as electrodes in the form of particles of platinum group metal oxides and current collectors made of valve metals (see US Pat. No. 5,134,474 class 361-502, 1992 .).

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.This device has the following specific characteristics: the amount of energy given in the discharge per unit mass Wm = 2.0 J / g, and per unit volume Wv = 5.0 J / cm ³ , which is also insufficient. The disadvantage of this device is the complexity of its design.

Целью настоящего изобретения является увеличение указанных удельных характеристик и упрощение конструкции устройства. The aim of the present invention is to increase these specific characteristics and simplify the design of the device.

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.This is achieved by the fact that in an energy source containing an ionomer membrane and electrodes, the membrane is used air-dry and in a different ionic form, namely: counterions are particles with a half-integer nuclear spin with a larger atomic weight than H ⁺ , for example, Na ⁺ , K ⁺ , Rb ⁺ ,. Cs ⁺ , as well as Zn ⁺⁺ , the density of fixed charges in the membrane is 0.5-1.5 mg, equiv / g, and the degree of saturation of ionic groups with identical particles at the same density of fixed charges was 0.5-36 hours, the electrodes are made of materials with different electrode potentials, for example, Ni-Al, Cu-Al.

При таком выполнении источник энергии имеет Wm=6,0 Дж/г, и Wv=11,4 Дж/см³.In this embodiment, the energy source has Wm = 6.0 J / g, and Wv = 11.4 J / cm ³ .

нами было установлено, что величина диэлектрической проницаемости (Д.П.) мембраны в воздушно-сухом состоянии зависит от плотности фиксированных зарядов и ионной формы. we found that the dielectric constant (DP) of a membrane in an air-dry state depends on the density of fixed charges and its ionic shape.

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. The experiments were carried out on domestic MK-100 industrial membranes and sulfonated polytrifluorostyrene films. MK-100 membranes had a density of fixed charges of 0.6-0.8 and 1-1.5 mg.eq / g.

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.When the density of fixed charges in membranes in the H ⁺ form changes from 0.6-0.8 to 1-1.5 mg.eq / g, the DP value increased by 4-5 orders of magnitude and reached 10 ⁷ -10 ⁸ at laboratory temperature 20 ^o C. When using the membrane in the Na ⁺ form, the DP reached the same value at a lower density of fixed charges. The maximum DP value was recorded on the MF-4SK ionomer polymer at a fixed charge density of 0.93 mg eq / g and was 10 ⁹ . Polarization of the counter-ionic group was also observed on the anianite membrane.

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.The choice of the ionic form of the material of the proposed membrane is due to the fact that when using other forms of ionomeric membranes, where the nuclei are lighter than Na ⁺ , for example, H ⁺ , the dielectric constant at the same density of fixed charges is less, the amount of energy given in the discharge is less, the discharge is faster, and the device is charged to a smaller potential difference.

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. Parameters are stable if the membrane is in an air-dry state. This is due to the fact that, at higher humidity, the parameters fall, so when the membrane swells, the distance between fixed charges increases and the interactions between counterions decrease. In a completely dried membrane, the parameters also fall, so the amount of water should be such that, acting as an intermediate medium accompanying the main polarization process, water molecules entering the space between adjacent ionic groups would remove the effect of transverse electric fields that inhibit the polarization of counterionic-ionogenic groups. For this, each such group should have a certain number of water molecules.

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. The density of fixed charges is more than 1.5 mg equivalent / g, a high degree of saturation of identical ionic groups by identical particles at a given density of fixed charges (more than 36 hours) or a decrease in the water content in the membrane leads to a decrease or disappearance of the repulsive forces between ions due to the appearance of the antiparallel orientation of the nuclear spins of counterions in the case of 1/2 spin or the appearance of the angular distribution of ionogenic groups in the case of spins of higher orders.

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. When the density of fixed charges is less than 0.6 mg equivalent / g and the degree of saturation of ionic groups is less than 0.5 hours, there will be an increase in the distance between counterions to such an extent that the forces of interaction between them disappear.

Выбором материалов электродов, различающихся значениями электродных потенциалов, достигается усиление величины спонтанной поляризации мембраны или просто возбуждается поляризация исходной мембраны. By choosing electrode materials that differ in the values of electrode potentials, an increase in the spontaneous polarization of the membrane is achieved, or the polarization of the original membrane is simply excited.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена конструкция предлагаемого источника энергии. The invention is illustrated in the drawing, which shows the design of the proposed energy source.

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.The proposed energy source contains an ionomer membrane 1, for example, perforated sulfocationionite type MF-4SK, with the structural formula

where SO ₃ is an ionic group, Na ⁺ is a counterion. The density of fixed charges in the membrane is 0.93 mg.eq / g. The membrane is air-dry.

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. Initially, the membrane is in a wet state: in an electrolyte solution, for example, alkali NaOH, and then washed to a neutral pH in deionized water. Then the membrane is dried in air in a box at a laboratory temperature until its constant weight is obtained.

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. The membrane is in direct contact with metal electrodes 2 and 3 of dissimilar materials with the greatest possible difference in electrode potentials, for example, Ni-Al or Cu-Al, the electrodes can be applied to the membrane surface in various ways, for example, by mechanical contact, by vacuum methods, including thermal evaporation, ion sputtering or chemical deposition.

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. The membrane can itself be formed on the surface of the electrodes, for example by applying a polymer solution to the surface of one of the electrodes, followed by evaporation of the solvent and applying a second electrode to the second surface of the membrane. In addition, the membrane can be formed on the electrode by deposition of the ionomer polymer from the gas phase or synthesis of the ionomer polymer on the surface of the electrode.

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.The principle of operation of the device is as follows: the interaction occurs through the Pauli principle of counterions, which are identical particles with a half-integer nuclear spin - fermions, for example, Na ⁺ , K ⁺ , Rb ⁺ , Cs ⁺ or Zn ⁺⁺ . This interaction represents repulsive forces, the magnitude of which depends on the distance between adjacent fermions and their nuclear mass. The forces increase as the distance decreases and the mass of the nucleus increases and can reach 100 eV / atom. The presence of repulsive forces leads to the appearance of an intrinsic dipole moment of the counterion-ionogenic group, spontaneous polarization, and high degrees of polarizability of the ionogenic membrane. In this case, the counterion is mechanically displaced with respect to the rigidly fixed ionogenic group and the formation of dipole moments with a large distance between charges. This bias ultimately leads to the appearance of a potential difference at the electrodes 2 and 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. The displacement of the counterion with respect to the ionogenic group causes a potential difference at the electrodes, and the presence of an electric field leads to an even greater mechanical displacement of the proion ions with respect to the ionic group as a result of its easy polarizability. These two processes interact with each other so that a kind of positive feedback is established between them: one process strengthens the other: the displacement of the counterion causes the formation of an electric field on the electrodes, and the electric field leads to an even greater amount of mechanical displacement of the counterion compared to what is observed with spontaneous polarization. The electric energy generated as a result of this process is enough to support the process itself and bring it into an external circuit.

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. Thus, the advantages of the proposed energy source are: the possibility of a significant and progressive increase in specific energy, the simplicity of the design of the device and its manufacture, as well as the lack of rare and expensive components used in the capacitor - prototype, as a necessary condition for its functioning.

Claims

1 An energy source containing an ionomer membrane and electrodes, characterized in that the membrane is used in an air-dry state and in such an ionic form in which counterions are particles with a half-integer spin and atomic weight greater than H ⁺ nuclei, for example, Na ⁺ , K ⁺ , Rb ⁺⁺ , Cs ⁺ , Zn ⁺⁺ , the density of fixed charges in the membrane is 0.6 - 1.5 mg eq, and the degree of saturation of ionic groups with identical particles at the same density of fixed charges is 0.5 - 36 hours, while the electrodes are made of materials with different electrode potentials, for example Ni - Al, Cu - Al.