электропреобразовательная ячейка
Классы МПК: | H01M4/58 неорганические соединения, кроме оксида и гидроксида C25B1/30 пероксиды |
Автор(ы): | АМЕНДОЛА Стивен (US) |
Патентообладатель(и): | МИЛЛЕНИУМ СЕЛЛ, ИНК., (US) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-12-27 публикация патента:
27.07.2002 |
Изобретение относится к области электрохимического преобразования. Техническим результатом изобретения является создание электрохимической ячейки с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Согласно изобретению окислительно-восстановительные соединения бора могут использоваться для электрохимических ячеек для аккумулятора или систем накопления энергии, которые характеризуются благоприятными характеристиками удельной энергии, плотности энергии, капитальных и эксплуатационных затрат, эффективности перезарядки, безопасности, воздействия на окружающую среду, ремонтопригодности и долговечности. 7 с. и 89 з.п.ф-лы, 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
Формула изобретения
1. Электрохимическая среда для хранения, используемая в электрохимических реакциях, содержит носитель, смешанный с восстановленным борсодержащим соединением или ионом, причем восстановленное соединение или ион окисляется до окисленного борсодержащего соединения или иона одновременно с генерированием электрического тока, причем среда для хранения находится в электрическом контакте с электродом для переноса тока, генерируемого в процессе указанного окисления. 2. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся, тем, что восстановленное соединение или ион является бороводородом. 3. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся, тем, что окисленное соединение или ион является боратом. 4. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся, тем, что носитель является водным раствором. 5. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся, тем, что носитель является неводным раствором. 6. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся тем, что носитель является неводным раствором, содержащим жидкость, растворяющую восстановленное соединение или ион. 7. Среда для хранения по п. 6, отличающаяся тем, что носитель выбран из группы, включающей безводный аммиак, амины, неаминные органические растворители, спирты, алкен карбонаты и гликоли. 8. Среда для хранения по п. 6, отличающаяся тем, что носитель выбран из группы, включающей диметилформамид, диметилсульфоксид, трипропиламин, пиридин, хинолин, триэтаноламин, моноэтаноламин, этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, этиловый спирт, карбонат этилена, карбонат пропилена. 9. Среда для хранения по п. 6, отличающаяся тем, что неводный раствор содержит сжижающий реагент или усилитель проводимости. 10. Среда для хранения по п. 6, отличающаяся тем, что неводный раствор содержит реагент, выбранный из группы, включающей этилендиаминтетрауксусную кислоту, крон-эфиры, криптаты и четвертичные соли аммония. 11. Среда для хранения по п. 1, отличающаяся тем, что размещена так, чтобы являться анодом аккумулятора. 12. Аккумулятор, который содержит анод и катод в электрической связи, отличающийся тем, что анод содержит носитель, смешанный с восстановленным борсодержащим соединением или ионом, причем восстановленное соединение или ион окисляется до окисленного борсодержащего соединения или иона одновременно с разрядом аккумулятора. 13. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что восстановленное соединение или ион является бороводородом. 14. Аккумулятор по п. 12 или 13, отличающийся тем, что окисленное соединение или ион является боратом. 15. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что носитель является раствором. 16. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что носитель является водной смесью. 17. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что носитель является неводной смесью. 18. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что катод содержит католит, который включает окислитель. 19. Аккумулятор по п. 18, отличающийся тем, что окислитель выбран из воздуха, O2, соединений, которые содержат кислород и галоген, и Х2, где Х является галогеном. 20. Аккумулятор по п. 19, отличающийся тем, что окислитель является перхлоратом, хлоратом, хлоритом, гипохлоритом, хлором, бромом, броматом, или йодатом. 21. Аккумулятор по п. 18, отличающийся тем, что окислитель является a) [MnO4] -, b) [FeO4] -2, с) СеОН(NО3)3, d) [Се(NО3)6] -2, е) [Fe(CH)4] -3, f) [СrO4] -2, g) [SnO3] -2, h) [ВiO3] -, i) МnО2, j) Ag2O, k) AgO, l) СеО2, m) PbO2, n) NiO(OH), o) NiO2, p) CoO(OH), q) [NO3] -, r) [NО2] -, s) [S2O8] -2, t) соединения, которые содержат Сu (III), Tl (III), Hg (II), Se (VI) или Те (VI), или u) R (NO2)n, где R - алкиловая, ариловая или арилалкиловая органическая группа и n= 1-6. 22. Аккумулятор по п. 18, отличающийся тем, что окислитель является тринитробензойной кислотой, гексанитробензолом или тринитробензолом. 23. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что анод содержит анолит, катод содержит католит, при этом и анод и католит разделены мембраной с избирательной проницаемостью. 24. Аккумулятор по п. 23, отличающийся тем, что мембрана является анионной мембраной. 25. Аккумулятор по п. 23, отличающийся тем, что мембрана является катионной мембраной. 26. Аккумулятор по п. 23, отличающийся тем, что мембрана является биполярной мембраной. 27. Аккумулятор по п. 12 или 13, отличающийся тем, что катод представляет собой катод с чередующимся поглощением и выделением воздуха. 28. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что содержит католит с возможностью его окисления воздухом для получения реагента, который затем окисляет бороводород до бората с генерированием электрического тока. 29. Аккумулятор по п. 28, отличающийся тем, что католит повторно окисляется воздухом в цикле после того, как он генерировал электричество посредством окисления бороводорода, что обеспечивает многократное использование. 30. Аккумулятор по п. 28, отличающийся тем, что католит состоит из окислителей, которые имеют возможность окисления воздухом в основном растворе. 31. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит йодат и I-. 32. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит феррицианид и ферроцианид. 33. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит хромат и Сr+3. 34. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит марганец с валентностью +2 и +3. 35. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит олово с валентностью +2 и +4. 36. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит кобальт с валентностью +2 и +3. 37. Аккумулятор по п. 30, отличающийся тем, что католит содержит катализатор для переокисления воздухом окислителя до более высокого состояния окисления. 38. Аккумулятор по п. 28, отличающийся тем, что католит содержит камеру, которая отделена от катодного отсека, в котором происходит переокисление католита39. Аккумулятор по одному из пп. 28-38, отличающийся тем, что содержит две части, в одной из которых размещен прямой вентилятор, а в другой - католит с возможностью окисления воздухом и последующего окисления бороводорода до бората с генерированием электрического тока. 40. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит биполярный электрод. 41. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит внешние резервуары хранения для хранения анолита, католита, или анолита и католита. 42. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит ячейку для генерирования электричества посредством окисления восстановленных соединений, которая физически отделена от второй ячейки для производства восстановленного соединения из окисленного соединения. 43. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит ячейку, которая используется для генерирования электричества из окисления восстановленного соединения и генерирования восстановленного соединения из окисленного соединения. 44. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит контроллер, соединенный по меньшей мере с одним источником реагента, при этом контроллер определяет перенос реагента к аноду или катоду, причем аккумулятор дополнительно содержит устройство контроля для определения характеристики аккумулятора и для формирования сигнала в контроллер в соответствии с контролируемыми значениями характеристики. 45. Аккумулятор по п. 44, отличающийся тем, что устройство контроля содержит по меньшей мере один датчик для генерирования входного сигнала, чувствительного к характеристике, выбираемой из окисленного/восстановленного потенциала, проводимости, напряжения, тока и выходной мощности, ионной концентрации, рН, показателя преломления, цвета, турбулентности, плотности, причем входной сигнал является переданным на электронный процессор, соединенный с контроллером, который управляет потоком в аккумуляторном отсеке. 46. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит электрод, содержащий проводящую подложку с покрытием. 47. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит электрод, причем указанный электрод содержит вещество, выбранное из группы, которая состоит из а) сплава висмута, таллия, кадмия, олова, свинца, галлия или индия, б) ртути, ртути, альмагированной с другими металлами, или ртутного покрытия на проводящей подложке, с) теллура или теллуридов. 48. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что содержит электрод, содержащий материал, улучшающий свойства электрода, такие, как коррозионная стойкость. 49. Аккумулятор по п. 47, отличающийся тем, что электрод дополнительно содержит материал, улучшающий свойства электрода, такие, как коррозионная стойкость. 50. Аккумулятор по п. 47, отличающийся тем, что электрод является биполярным электродом, имеющим две стороны, причем одна из сторон покрыта указанным веществом, а вторая сторона покрыта материалом с низким кислородным перенапряжением, таким, как золото или окись иридия. 51. Аккумулятор по п. 47, отличающийся тем, что электрод является биполярным электродом, имеющим две стороны, одна из которых покрыта указанным веществом, а вторая сторона имеет электрод с чередующимся поглощением и выделением воздуха. 52. Аккумулятор по п. 40, отличающийся тем, что биполярный электрод содержит лист из проводящего материала. 53. Аккумулятор по п. 52, отличающийся тем, что проводящий материал является нержавеющей сталью или металлизированной золотом медью. 54. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что содержит электрод, имеющий гладкую поверхность или высокоразвитую поверхность из пенометалла или трубок, цилиндров, волокон или другой геометрической формы, порошка с покрытием или без покрытия, катализированную или некатализированную. 55. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что выполнен в виде герметичной ячейки таких физического размера, формы и диапазона напряжения, которые соответствуют характеристикам стандартного аккумулятора для потребительского электронного или электрического прибора. 56. Аккумулятор по п. 55, отличающийся тем, что стандартный аккумулятор является пуговичным аккумулятором для слухового аппарата, или ААА, или АА, или А, или В, или С, или D, или 9-вольтовым аккумулятором, или аккумулятором компьютера, или аккумулятором сотового телефона. 57. Аккумулятор по п. 12, отличающийся тем, что используется для выработки напряжения и тока, соответствующих зажиганию и работе стартера в транспортном средстве, приводимом в движение двигателем внутреннего сгорания. 58. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из ячеек выполнена для установки на транспортном средстве, которое частично или полностью использует электричество для приведение в движение этого транспортного средства. 59. Аккумулятор по п. 39, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из ячеек выполнена для установки на транспортном средстве, которое частично или полностью использует электричество для приведения в движение этого транспортного средства. 60. Аккумулятор по п. 12 или 28, отличающийся тем, что выполнен для хранения электричества в таких применениях, как выравнивание уровня полезной нагрузки электроустановок общего пользования и других устройств для хранения электричества. 61. Аккумулятор по п. 39, отличающийся тем, что выполнен для хранения электричества в таких применениях, как выравнивание уровня полезной нагрузки электроустановок общего пользования и других устройств для хранения электричества. 62. Способ выработки тока в течение времени, отличающийся тем, что включает обеспечение аккумулятора по п. 12 и соединение его с нагрузкой. 63. Способ по п. 62, отличающийся тем, что дополнительно включает этап выработки электрического тока посредством окисления аниона бороводорода до аниона бората и перезарядку аккумулятора посредством приложения электрического потенциала к аноду для восстановления аниона бороводорода из аниона бората. 64. Способ по п. 62, отличающийся тем, что дополнительно включает выработку электрического тока посредством окисления аниона бороводорода до аниона бората и последующую замену разряженного анолита на анолит, содержащий анион бороводорода, который подходит для окисления до аниона бората. 65. Способ синтеза иона борана посредством электрического восстановления иона бората. 66. Способ по п. 65, отличающийся тем, что ион борана является бороводородом. 67. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что указанный способ используют для перезарядки аккумулятора. 68. Способ по п. 65, отличающийся тем, что осуществляют контролирование синтеза, используя датчик, который генерирует электрический сигнал, представляющий характеристику, которую выбирают из окисленного/восстановленного потенциала, проводимости, напряжения, тока и выходной мощности, ионной концентрации, рН, показателя преломления, цвета, турбулентности, плотности, причем входной сигнал является переданным на электронный процессор, соединенный с контроллером, который управляет потоком в аккумуляторном отсеке, который связывают с регулируемым потоком в каждый отсек. 69. Способ по п. 66, отличающийся тем, что борат и ион бороводорода находятся в водном носителе. 70. Способ по п. 69, отличающийся тем, что электрическое восстановление бората осуществляют в ячейке, имеющей в качестве катода электрод с высоким водородным перенапряжением. 71. Способ по п. 70, отличающийся тем, что восстановление ионов бората осуществляют путем подачи потенциала на электрод, который содержит а) сплав висмута, таллия, кадмия, олова, свинца, галлия или индия, б) ртуть, ртуть, амальгамированную с другими металлами, или ртутное покрытие на проводящей подложке, с) теллур или теллуриды для дополнительного замедления выделения газообразного водорода во время протекания тока. 72. Способ п. 65 или 71, отличающийся тем, что восстановление ионов бората осуществляют путем подачи потенциала на электрод, который содержит добавку, обеспечивающую улучшение коррозионной стойкости. 73. Способ по п. 70, отличающийся тем, что дополнительно включает извлечение восстановленных соединений в дополнение к бороводороду, причем восстановленные соединения содержат металл, или соединение, или ион из водных и/или неводных систем. 74. Способ по п. 70, отличающийся тем, что ячейка содержит биполярный электрод. 75. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что является осуществленным в ячейке, которая содержит мембрану с избирательной проницаемостью. 76. Способ по п. 75, отличающийся тем, что мембрана с избирательной проницаемостью является анионной мембраной, катионной мембраной или биполярной мембраной. 77. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что включает этап выделения кислорода из анода при создании бороводорода в католите. 78. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что включает выработку окисленного соединения в качестве продукта в анодной камере. 79. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что его осуществляют в водной среде. 80. Способ по п. 65, отличающийся тем, что боран не является бороводородом, причем способ включает добавление к катоду аддуктов частичного восстановления или других аддуктов. 81. Способ по п. 80, отличающийся тем, что аддукты выбирают из группы, которая состоит из иона цианистого калия, амидного иона, галогенных ионов и псевдогалоидных соединений. 82. Способ по п. 65 или 66, отличающийся тем, что его осуществляют в неводной среде. 83. Способ переноса аниона бороводорода от точки порождения до точки потребления посредством приложения электрического потенциала к раствору окисленного бороводорода в точке порождения для выработки бороводорода в первой ячейке и переноса полученного в результате раствора бороводорода в точку потребления, куда бороводород подают для окисления во второй ячейке. 84. Способ по п. 83, отличающийся тем, что дополнительно включает транспортировку отработанного раствора, который содержит окисленный бороводород от точки потребления до места порождения и приложения электрического потенциала к отработанному раствору в точке порождения для выработки бороводорода в первой ячейке. 85. Способ по п. 83 или 84, отличающийся тем, что раствор окисленного бороводорода транспортируют обратно к точке порождения, чтобы повторно использовать для получения бороводорода. 86. Способ по п. 83 или 84, отличающийся тем, что по меньшей мере одну из ячеек выполняют для установки на транспортном средстве, которое частично или полностью используют для приведения в движение транспортного средства. 87. Способ по п. 83 или 84, отличающийся тем, что по меньшей мере одну из ячеек выполняют для хранения электричества в таких применениях, как выравнивание уровня полезной нагрузки электроустановок общего пользования и других устройств для хранения электричества. 88. Способ по п. 83, отличающийся тем, что дополнительно включает этап, на котором бороводород соединяют с водой для генерирования водорода путем восстановления воды. 89. Способ по п. 88, отличающийся тем, что генерирование водорода катализируют присутствием соединений переходных металлов. 90. Способ по п. 89, отличающийся тем, что генерирование водорода катализируют соединением кобальта (II). 91. Способ по п. 90, отличающийся тем, что соединение кобальта (II) является гидроксидом кобальта (II). 92. Способ по п. 88, отличающийся тем, что дополнительно включает этап транспортировки произведенного водорода к потребителю. 93. Способ транспортировки бороводорода как способ транспортировки энергии к данному местоположению. 94. Способ транспортировки и распределения бороводорода, обеспечивающий возможность заправки свежим бороводородом и выгрузки боратов, транспортных средств, работающих на бороводороде. 95. Способ по п. 94, отличающийся тем, что раствор бората преобразуют в раствор бороводорода с помощью ячейки для синтеза иона бороводорода и/или перезарядки аккумулятора путем электрического восстановления иона бората. 96. Способ по п. 81, отличающийся тем, что боран связан с амином или с соединением, содержащим азот и водород или ион, таким, как аммиак или гидразин.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электрохимического преобразования с использованием, например, электрохимических ячеек. Потребность в создании экологически чистых средств транспорта, выравнивания уровня нагрузки электрических установок, также как многих других электрохимических применений, способствовали проведению исследований новых электрохимических ячеек. Плотность энергии, стоимость, срок службы, эффективность перезарядки, надежность, воздействие на окружающую среду и ремонтопригодность могут служить некоторыми из факторов, которые нужно учитывать при создании аккумулятора, подходящего для практического использования во многих применениях. Способность преобразовывать химическую энергию в электрическую и обратно хорошо известна почти два столетия. Однако некоторые области применения, такие как электрические транспортные средства, предъявляют требования плотности энергии, относящиеся к плотности энергии, экономичности и увеличению срока службы, которые трудно удовлетворить при производстве коммерчески практичных ячеек, которые удобны в эксплуатации и надежны. Например, высокая теоретическая плотность энергии (см. обсуждение этого термина ниже) может в некоторых случаях быть связана с увеличением веса компонентов, тем самым снижая теоретические преимущества. Автором было установлено, что с использованием группы окислительно-восстановительных соединений бора может быть создана электрохимическая ячейка со сбалансированными характеристиками, такими как располагаемая энергия, плотность энергии, капитальные и эксплуатационные затраты, эффективность перезарядки, надежность, воздействие на окружающую среду, ремонтопригодность и долговечность. Соответственно в одном из аспектов изобретение в основном относится к электрохимической накопительной среде, которая содержит носитель, смешанный с восстановленным борсодержащим составом (предпочтительно бороводородом), причем восстановленное соединение является окисляемым до окисленного борсодержащего соединения (предпочтительно бората или полиборатов в неводных системах с использованием галогенсодержащего восстановителя, может быть получен трихлорид бора) одновременно с генерированием электрического тока, когда накопительная среда находится в электрическом контакте с электродом, который проводит ток, генерируемый при окислении. Носителем может быть водный или неводный раствор, например жидкость, которая растворяет восстановленное соединение и вступает в контакт с электродом так, чтобы восстановленное борсодержащее соединение могло доставлять электроны на электрод непосредственно, а не косвенно через стабильный промежуточный компонент, такой как водород. Предпочтительные неводные жидкости включают безводный аммиак, диметилформамид, диметилсульфоксид, амины, неаминовые органические основания, спирты, алкен карбонаты и гликоли; конкретные жидкости включают трипропиламин, пиридин, хинолин, триэтаноламин, моноэтаноламин, этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, этиловый спирт, карбонат этилена и карбонат пропилена. Неводный раствор может включать сжижающий агент или агент, усиливающий проводимость, например этилендиаминтетрауксусную кислоту, крон-эфиры, криптаты и четвертичные соли аммония. В другом аспекте изобретения накопительную среду размещают в качестве анода аккумулятора, который включает анод и катод, имеющие возможность электрической связи. Восстановленное соединение имеет возможность окисления до окисленного борсодержащего соединения одновременно с разрядом аккумулятора, например, когда восстановленное соединение вступает в контакт с электродом и доставляет к нему электроны. Окислителем может быть доступный воздух, или аккумулятор может включать окислитель, например О2; соединения, которые содержат кислород и галоген; и Х2, где Х - галоген. Предпочтительными окислителями являются: перхлорат (ClO4 -), хлорат (СlO3 -), хлорит (СlO2 -), гипохлорит (ОСl-), хлор (С12), бром (Вr2), бромат (ВrО3 -), иодат (IO3 -) или другие сопоставимые соединения галоген/кислород. Другими предпочтительными окислителями являются те, которые содержат элементы, которые могут легко переходить между двумя или больше состояниями окисления, в общем случае начиная с более высокого состояния. Эти соединения могут быть или растворимыми или нерастворимыми в среде носителя, и их можно использовать в виде раствора, суспензии, пасты, геля или любой другой желательной формы. Предпочтительные окислители включают: a) [Mn(VII)O4] - (например, перманганат натрия); b) [Fe(VI)O4] -2 (например, натрий феррат); с) Се(IV)ОН(NО3)3 (основной нитрат церия); d) [Се(IV)(NО3)6]-2 (например, нитрат церия аммония); е) [Fe(III)(CN)4] -3 (феррицианид); f) [Cr(VI)O4] -2 (хромат); g) [Sn(IV)О3] -2 (станнат); h) [Вi(V)О3]- (висмутат); i) Mn(IV)O2; j) Аg(I)2O; k) Аg(II)O; 1) Ce(IV)O2; m) Pb(IV)O2; n) Ni(III)О(ОН); о) Ni(IV)O2; p) Co(III)O(OH); q) [N(V)О3] - (например, нитрат аммония, нитрат натрия, нитрат лития, нитрат кальция); r) [NO2]- (например, нитрит натрия); s) [S2O8]-2 (например, пероксидисульфат натрия или аммония); соединения, которые содержат Cu(III), Tl(III), Hg(II), Se(VI) или Te(VI); или u) R(NO2)n-, где R - алкиловая, ариловая или арилалкиловая органическая группа и n=1-6 (например, моно- или поли-, или пернитроорганические соединения). Валентности приведены для характеристики понимания характера окислителей, но необязательно как ограничение формулы изобретения. Другими окислителями являются тринитробензойная кислота, гексанитробензол или тринитробензол. Анолит и католит аккумулятора можно разделять мембраной с избирательной проницаемостью, такой как анионная мембрана, катионная мембрана или биполярная мембрана. Катод может представлять собой катод с чередующимся поглощением и выделением воздуха, например, с католитом, который может окисляться воздухом (например, в основном растворе), чтобы выработать агент, который затем окисляет бороводород до бората с генерированием электрического тока, предпочтительно в цикле, который включает регенерацию католита после того, как он генерировал электричество при окислении бороводорода, и таким образом допускать многократное использование. Например, католит может содержать иодат (IO3); феррицианид и ферроцианид; хромат и Сr+3; марганец с валентностями +2 и +3; олово с валентностями +2 и +4; кобальт с валентностями +2 и +3; катализатор, чтобы помочь переокислению окислителя воздухом до более высокого состояния окисления. Аккумулятор может включать отдельную от катодного отсека камеру, в которой происходит переокисление католита. Аккумулятор может включать две части, одна из которых осуществляет чередующиеся поглощения и выделение воздуха, а другая часть содержит католит, который может окисляться воздухом и который может затем окислять бороводо-род до бората с генерированием электрического тока с использованием косвенно воздуха. Аккумулятор может также включать биполярный электрод. Он может иметь внешние резервуары для хранения анолита, католита или и анолита и католита. Ячейка для генерирования электричества путем окисления бороводорода может быть физически отделена от ячейки для получения бороводорода из бората или она может быть той же самой ячейкой, которая используется для получения бороводорода из боратов. По меньшей мере, с одним источником реагента может быть соединен контроллер, чтобы регулировать перенос реагента к аноду или катоду, и контрольное устройство, которое определяет характеристику аккумулятора и подает сигнал на контроллер в соответствии с контролируемыми значениями характеристики. Например, по меньшей мере один датчик реагирует на характеристику, которую выбирают из ORP, проводимости, напряжения, тока и выходной мощности, ионной концентрации, рН, показателя преломления, колориметрической, COD, мутности, плотности, чтобы генерировать входной сигнал. Входной сигнал передается на электронный процессор, процессор соединяется с контроллером, который управляет потоком в аккумуляторный отсек. Электрод аккумулятора может включать проводящую подложку, такую как нержавеющая сталь с покрытием. Электроды, которые являются особенно полезными (например, чтобы избежать выделения водорода) включают: а) сплав висмута, таллия, кадмия, олова, галлия, свинца или индия; b) ртуть или ртуть, амальгамированную с другими металлами, или ртутное покрытие на проводящей подложке; с) теллур или теллуриды. Электрод может включать дополнительные материалы, чтобы улучшить коррозионную стойкость или другие свойства электрода. Возможен биполярный электрод, который имеет две стороны, причем одна из сторон покрыта указанным веществом, а вторая сторона покрыта материалом с низким кислородным перенапряжением, таким как золото или окись иридия; в качестве альтернативы вторая сторона представляет собой стандартный электрод с чередующимся поглощением и выделением воздуха. Биполярный электрод содержит лист из проводящего материала, такого как нержавеющая сталь или медь, покрытая золотом, или другой подходящий металл. Электрод может иметь гладкую поверхность или развитую поверхность большой площади пенометалла или трубок, цилиндров, волокон или другой геометрической формы, порошка с покрытием или без покрытия, катализированную или некатализированную. Такие аккумуляторы, как описано выше, могут быть выполнены в виде герметичной ячейки определенного физического размера, формы и диапазона напряжения, в соответствии с требованиями относительно формы и функционирования, соответствующими стандартному аккумулятору для потребительского электронного или электрического прибора, например пуговичному аккумулятору для слухового аппарата; ААА; АА; А; В; С; D; 9-вольтовому аккумулятору; компьютерному аккумулятору; аккумулятору сотового телефона. Аккумулятор отличается тем, что вырабатывает напряжение и ток, подходящие для зажигания и работы стартера в транспортном средстве, приводимом в движение двигателем внутреннего сгорания, или он может подходить для установки на транспортном средстве, которое частично или полностью использует электричество для приведения в движение это транспортное средство. Аккумулятор может также быть пригоден для накопления электричества в таких применениях, как выравнивание уровня нагрузки электрического оборудования и других средств накопления электричества. Этот аспект изобретения также демонстрирует возможность генерировать ток через какое-то время при соединении аккумулятора с нагрузкой. В этом случае ток генерируется посредством окисления восстановленного борсодержащего соединения. Аккумулятор может также перезаряжаться, для чего прикладывают электрический потенциал к аноду, чтобы восстановить анион бороводорода из аниона бората. В качестве альтернативы, разрядившийся раствор анолита можно заменить на анолит, который содержит анион бороводорода, пригодный для окисления до аниона бората. Другой аспект изобретения демонстрирует синтез иона борана (предпочтительно бороводорода) посредством электрического восстановления иона бората, например, как способ перезарядки аккумулятора. Синтез может контролироваться с помощью датчика, который генерирует электрический сигнал, представляющий характеристику, выбираемую из ORP, проводимости, напряжения, тока и мощности на входе, ионной концентрации, рН, показателя преломления, колориметрической, COD, мутности и плотности, указанный сигнал передается к электронному процессору. Процессор соединяется с контроллером, который управляет потоком в аккумуляторный отсек, который соединяется с регулируемым потоком в каждый отсек, например, посредством насосов, клапанов и других подходящих средств передачи. Обычно борат и ион бороводорода находятся в водном носителе. Катод ячейки может представлять собой электрод с высоким водородным перенапряжением, причем восстановление ионов бората выполняется путем подачи потенциала на электрод, который может состоять из сплава висмута, таллия, кадмия, олова, свинца, галлия и индия. В качестве альтернативы, электрод для подачи потенциала может состоять из ртути или ртути, амальгамированной с другими металлами, или ртутного покрытия на проводящей подложке. Электрод может также содержать теллур или теллуриды. Такие электроды замедляют выделение газообразного водорода при протекании тока. Можно добавлять электродные добавки для улучшения таких характеристик, как коррозионная стойкость. Можно образовывать другие сильно восстановленные соединения (в дополнение к бороводороду). В числе борсодержащих соединений находятся несколько высших боранов В2Н7 -, В3Н8 -. Эти бораны могут связываться с амином или с азотным/водородным составом, таким как аммиак или гидразин, например, для получения ВН3![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
BH4 - + 8OH--->BO2 - + 6H2O + 8e-, E1/2=1,24 B. (1)
Уравнение (1) выше написано для водной системы, но неограничено такой системой. Один пример осуществления электропреобразовательной ячейки использует электрод с чередующимся поглощением и выделением воздуха, чтобы обеспечить реакцию другой половины ячейки, обеспечивающей получение полной ячейки. Эта реакция имеет вид:
2O2 + 4H2O + 8e--->8OH-, E1/2=0,401 B. (2)
Результирующую реакцию для уравнений (1) и (2) находят посредством сложения двух реакций, чтобы получить
BH4 - + 2O2 --->BO2 - + 2H2O, E1/2=1,641 B. (3)
Ион бороводорода стабилизируют ионами гидроксида. Раствор может выделять газообразный водород, если его катализируют или подкисляют. Следовательно, в приложениях аккумуляторов следует избегать состояний с выделением газа. Выделение газообразного водорода нежелательно, потому что это может в некоторых обстоятельствах понижать получаемую энергию и быть причиной ряда других нежелательных характеристик такой ячейки, как здесь описано. Следовательно, материалы, которые должны быть в контакте с раствором бороводородистого натрия, следует выбирать так, чтобы избежать реакций с выделением газа. Другими факторами, которые нужно учитывать, являются рН и присутствие материала, который может катализировать разложение бороводорода. Присутствие иона, ионов, например, гидроксида (высокое значение рН) является желательным, и экзогенные ионы гидроксида (такие, как гидроксид натрия) будут обычно добавлять в таких переменных количествах, как это необходимо для устойчивой системы и желательных проводимостей для любого данного применения. Другие материалы можно добавлять, чтобы усилить проводимость или другие свойства ячейки. Свободная энергия Гиббса, упоминаемая как "дельта G" для уравнения (3), составляет 1270 кДж/моль реагентов. Кислород получают из воздуха, и молекулярный вес бороводородистого натрия равен 37,83 г на моль (можно использовать любую бороводородную соль, такую как соль лития или аммония и т.д., как источник бороводорода с соответствующими поправками на характер каждого материала). Следовательно, энергия, доступная из одного фунта бороводородистого натрия, составляет 15200 кДж/фунт или 33500 кДж/кг. Бороводородистый натрий растворим в воде до приблизительно 44% весовых, и, следовательно, насыщенный раствор этой соли содержал бы 14700 кДж/кг или, так как плотность этого раствора равна 1,25 г/мл, энергия, доступная из раствора, должна быть равна 18400 кДж/л. Чтобы преобразовывать эти выражения тепловой энергии в электрические выражения, один киловатт-час равняется 3600 кДж, так что более чем 5,11 кВт
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
Pb+PbO2+2H2SO4-->2PbSO4+2H2O, E0=2,0 B, (4)
которая дает 4 В-Ф (это 2-электронная реакция) для 642 г реагентов (не учитывая требуемую воду) или 6,23 В-Ф на килограмм или только 167 Вт
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
ClO3 - + 3H2O + 6e--->Cl- + 6OH-, E1/2=0,62 B. (5)
Если 4 части уравнения (5) добавляют к 3 частям уравнения (1), получают следующее результирующее уравнение
3BH4 - + 4ClO3 --->3BO2 - + 4Cl- + 6H2O, E0=1,86 B. (6)
Доступная энергия равна 1,86
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
BH4 - + 4Cl2 + 8OH--->BO2 - + 8Cl- + 6H2. (7)
Фиг.3 показывает поток через конфигурацию бороводородной системы с электродом с чередующимся поглощением и выделением воздуха. Дополнительные окислители, которые подходят для конфигурации типа первичного источника тока, проточного или нет, включают следующие соединения или их растворы: галогеноокиси, такие как соли хлоратов, перхлорат, броматы, иодаты, гипохлораты и т.д. Типичными соединениями являются соли, такие как перхлорат лития или раствор гипохлорита натрия. Хотя перхлорат аммония проявляет низкую растворимость в воде, он вполне растворим в безводном аммиаке. Ионы переходных металлов в высших состояниях окисления
Перманганаты и манганаты. Можно использовать Mn(VI), Mn(VII) или Mn(IV) (такие, как двуокись марганца), ферраты (Fe(VI) или Fe(III)) или хроматы (Cr(VI)), окиси никеля (Ni(III)), олово (Sn(IV)), окиси серебра и т.д. Необходимо действовать с осторожностью, чтобы гарантировать, что выбранный материал не катализирует разложение бороводорода как в уравнении (15), или гарантировать, что не допускается прямой контакт между материалом и бороводородом, если каталитическое действие возможно. Типичные соединения включают перманганат натрия, феррат натрия, феррицианид калия, хромат натрия, станнат натрия и т.д. Галогены или межгалоидные соединения. Эти материалы при растворении в водном основании образуют соли галогеноокиси. Соли нитратов и нитритов, такие как нитрат аммония или нитрит натрия. Эти соединения хорошо растворимы в воде и исключительно растворимы в безводном аммиаке. Нитроорганические соединения; нитробензойная или динитро- или тринитробензойная кислоты проявляют хорошую растворимость в растворах гидроксида, и они образуют соответствующий амин и спирт (то есть нитробензойная кислота образует аминофенол). Пероксидисулъфаты. Можно использовать пероксидисульфаты, такие как пероксидисульфат аммония или натрия. Так как этот анион не переносит кислород, но только принимает электроны, кислород для образования боратов поступает из гидроксида, который необходимо также сделать доступным для реакции. По причине неустойчивости пероксидов в основном растворе это рекомендуют для необычных применений. Напряжение для ячеек, которые используют материалы из вышеупомянутого списка или другие материалы, может варьироваться в широких пределах. При использовании таких соединений, как ферраты или пероксидисульфаты, или галогеноокиси, результирующее напряжение на зажимах ячейки может превышать 3 В. Такие системы помогают поддерживать высокие плотности энергии. Некоторые из таких систем подходят также для вторичных ячеек, где восстановленное вещество можно повторно окислять электролитическим способом. Как правило, в такой вторичной ячейке можно повторно окислять галогеноокиси, ионы переходных металлов, пероксидисульфаты и некоторые органонитраты. На фиг. 3 раствор в резервуаре 1 прокачивают через ячейку 2 и сливают в резервуар 3, в то время как электричество выводят из ячейки 2. Скорость нагнетания можно изменять, чтобы учитывать изменяющиеся требования к ячейке и таким образом обеспечивать широкий диапазон уровней мощности для заданной площади электрода в ячейке. Резервуар 4 и насос 5 устанавливают на стороне катода аккумулятора, и они согласуют потоки, чтобы поддерживать достаточную концентрацию ионов вблизи электродов, чтобы поддерживать выходную мощность. Расход может дополнительно управляться компьютером (микросхемой). Данные от датчиков через устройства ввода-вывода, которые контролируют такие условия, как ORP или проводимость или другие параметры, могут представлять собой входные данные, которые определяют результирующий поток. В этой конфигурации, также как во многих других становится очевидной обеспечиваемая гибкость. Она имеет свойства как аккумулятора, так и топливного элемента. Это очень важно для таких применений, как выравнивание уровня нагрузки электрооборудования или электрические транспортные средства, для которых может потребоваться совершать дальние поездки без перезарядок. Но возможность перезарядки при необходимости сохранена. В типичном топливном элементе продуктами обычно являются вода и (иногда в зависимости от топлива) диоксид углерода или азот. В топливном элементе их по существу следует рассматривать как электрохимические продукты сгорания, и продукты не имеют никакой ценности для регенерации первоначальных реагентов. В электропреобразовательной ячейке продукт разряда является пригодным для извлечения бороводорода. Хотя воду можно повторно преобразовать обратно в водород и кислород для топливного элемента и бороводород характеризует собой метод сохранения газообразного водорода (как обсуждено позже в этом описании), фактически происходит реакция в соответствии с уравнением (1). Если бороводород катализировать, чтобы выделить его газообразный водород, то необходима ячейка, которая имеет анод, который может катализировать окисление водорода до воды. Теоретическое напряжение реакции в этом случае равно только 1,23 В, и теоретическая плотность энергии падает до приблизительно 3,8 кВт
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186020/8226.gif)
разбрызгиванием по фиг.5 представляет собой следующее:
I-+6OH-->IO3 -+3H2O+6e-, E1/2=0,26 B. (8)
Так как уравнение (8) имеет более низкий потенциал, чем уравнение (2) (потенциал окисления кислорода в основном растворе), результирующая реакция, которая показана ниже, происходит в камере, где допустим воздух:
2I-+3O2-->2IO3 -, E0=0,15 B. (9)
Этой реакции могут способствовать катализаторы, которые помещают в разбрызгиватель и/или непосредственно в камеру раствора. Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными, как желательно, чтобы максимизировать кпд системы. Способность воздуха окислять данное соединение определяют рН и концентрации так же, как катализаторы, температура и давление. Следовательно, при надлежащих условиях некоторые пары могут быть окисляемыми, даже если стандартные потенциалы указывают на то, что это невозможно. Следует использовать электрохимические процедуры и диаграммы, такие как диаграммы Пурбе или диаграммы площади преобладания. Следует отметить, что часто промежуточным звеном в таких реакциях служит ион пероксида, и это ограничивает фактическую окислительную способность воздуха. Однако в других растворителях, таких как аммиак, образование пероксида является более обычным и доступными для использования становятся совершенно другие пары. Для этой функции подходит меньшее количество материалов, чем для использования в основной ячейке, так как материал должен быть восстановлен кислородом. Можно использовать пары Fe(III)/Fe(II) (включенные в комплексы для растворимости в основной среде или поддающейся перекачке насосом кашице) и другие переходные металлы, хромат/Сr(III), Мn(II)/Мn(III), Sn(IV)/Sn(II), Со(II)/Со(III), которые катализируют активированным древесным углем в камере разбрызгивания. Можно также использовать пару хлорат/хлорит и т.д. Раствор, который образуется согласно уравнению (9), можно затем передавать в катодную камеру, и в электропреобразовательной ячейке происходит результирующая реакция (для пары иодат/иодид):
3BH4 -+4IO3 --->3BO2 -+4I-+6H2O, E0=1,50 B. (10)
Так как раствор постоянно рециркулируется, только малое количество жидкости - которое достаточно только, чтобы обеспечить максимальные расходы, - должно находиться в резервуаре 4. Результирующая реакция по-прежнему та же, что и в реакции (3), за исключением того, что напряжение реакции равно 1,50 В вместо 1,65 В. Использование этого специфического посредника приводит к потере приблизительно 9% доступной энергии по причине уменьшения выходного напряжения. Эта энергия, конечно, выделяется как теплота в реакции (9) и равна потерянным 0,15 В. Этот пример осуществления изобретения полезен в ситуациях, где желательна конструкция с чередующимся поглощением и выделением воздуха с высокой удельной энергией, но также желательна и система с очень высокой пиковой мощностью. В конфигурациях с чередующимся поглощением и выделением воздуха на фиг.3 и 4 пиковая мощность ограничена (среди других факторов) площадью поверхности электрода с чередующимися поглощением и выделением воздуха. Так как возможны конструктивные и стоимостные ограничения на использование электрода с непосредственным чередующимся поглощением и выделением воздуха, этот пример реализации допускает конструкцию с очень высокой скоростью впуска воздуха (он может даже быть сжатым), чтобы обеспечить высокую мощность. Другое преимущество для этой конфигурации состоит в существенно сниженном времени срабатывания. Поскольку и анолит и католит можно запасать в их соответствующих резервуарах, когда быстро необходим высокий расход мощности (например, нажимают педаль акселератора в электрическом автомобиле), можно быстро увеличивать подачу обеих жидкостей в ячейку. Этот пример осуществления также полезен, когда биполярная ячейка и система с результирующим потреблением воздуха желательны вместе. Этот пример осуществления устраняет потребность распределять воздух по всем катодам в биполярной ячейке. Другой пример осуществления электропреобразовательной ячейки состоит в использовании основной системы ячейки как на фиг.3 или 4, которая имеет электрод с прямым чередующимся поглощением и выделением воздуха для обеспечения большей части энергии при самом высоком кпд, а также другой системы как на фиг.5, которая использует камеру разбрызгивания, для окисления другого соединения, чтобы обеспечить необходимую пиковую мощность. В этом примере осуществления изобретения устройство разбрызгивания (4), как показано на фиг. 5, может (но не обязательно должно) быть меньше, чем устройство воздушного электрода. Проектировщик может тогда избежать создания очень большой площади поверхности воздушного электрода, который должен самостоятельно выполнять всю работу. Результатом является в целом меньшая система с эквивалентной эффективностью (удельная энергия против удельной мощности). Раствор бороводорода для питания двух ячеек при необходимости можно извлекать из одного и того же резервуара или различных резервуаров. В этих примерах осуществления изобретения можно использовать второй комплект электродов для перезарядки, чтобы перезаряжать жидкость. Возможность слива резервуара 2 и заполнения резервуара 1 по-прежнему может быть реализована в этом примере осуществления изобретения. Дополнительная гибкость, которую предлагает эта система, состоит в том, что в любой проточной ячейке с переменными выходными мощностями и расходами обычно весь бороводород в растворе не преобразуют полностью, когда он проходит через ячейку. Следовательно, даже если резервуар 1 может быть почти пуст, в качестве аварийного запаса можно накачивать использованную жидкость из резервуара 2 в резервуар 1 (через ячейку перезарядки, если она присутствует, или только через трубку), чтобы обеспечить аварийный запас. Так как концентрация бороводорода является низкой, следует ожидать пониженной эффективности, но и при этих условиях автомобилист сможет добраться до станции перезарядки. Дополнительное преимущество этих конфигураций состоит в том, что определение остающейся энергии является просто функцией от того, сколько свежего раствора остается в резервуаре 1. Точное измерение энергии, оставленной в многочисленных аккумуляторах, является более трудным. На фиг. 6 показана ячейка перезарядки. Хотя эта ячейка может фактически быть той же самой ячейкой, что и ячейка 2, гибкость, которую допускает эта система, позволяет использовать две отдельные ячейки. Во время перезарядки уравнение (3) реверсируется для выработки бороводорода и газообразного кислорода следующим образом:
BO2 -+2H2O-->BH4 -+2O2, E0=-1,65 B. (11)
Отрицательное напряжение указывает, что электричество необходимо подавать, чтобы вести реакцию в показанном направлении. Нужно выполнить некоторые важные условия для обеспечения эффективного протекания реакции. При таком отрицательном напряжении легче диссоциировать воду на водород и кислород. К счастью, кислород является желательным продуктом. Выделение газов из физических электродов является процессом, который чрезвычайно зависит и от состава, и от физических свойств электрода. Выделение кислорода из основного раствора воды происходит в соответствии с реверсированием уравнения (2):
8OH--->2O2+4H2O+8e-, E1/2=-0,401 B. (12)
При рассмотрении приведенного выше обсуждения теоретических напряжений следует учитывать, что фактическое напряжение, которое необходимо для выделения свободного газа, выше, чем теоретическое. Разность между теоретическим напряжением и фактическим требуемым напряжением определяется как перенапряжение. В случае выделяющего кислород электрода этот потенциал определяется как кислородное перенапряжение. Аналогично для водородного электрода это называется водородным перенапряжением. Перенапряжение зависит и от выделяемых газов и от материала электрода. Высокие плотности тока и более низкие температуры способствуют более высокому перенапряжению. Электрод с низким кислородным перенапряжением желателен, чтобы максимизировать кпд реакции (12). Материалами с низким кислородным перенапряжением являются золото, окись иридия, двуокись марганца среди других, которые известны в промышленности. Эти электроды можно выполнить из базового металла, например из нержавеющей стали, и покрыть желательным материалом. Производство бороводорода требует обращения реакции (1), которое имеет вид
BO2 -+6H2O+8e--->BH4 -+8OH-, E1/2=-1,24 B (13)
При таком отрицательном напряжении выделять водород из воды более благоприятно следующим образом:
2H2O+2e--->H2+2OH-, E1/2=-0,8277 B. (14)
Если реакция (14) происходит вместо реакции (13), ячейка не будет перезаряжаться и энергия пропадет впустую. Следовательно, чтобы обеспечить, чтобы происходила реакция (13), для стороны перезарядки ячейки необходим электрод с высоким водородным перенапряжением. При таких условиях восстановления можно получить различные восстановленные соединения бора. Необходимо перенапряжение, равное по меньшей мере разности в напряжениях между реакциями (13) и (14), 0,4123 В, и более высокие значения перенапряжения желательны, чтобы минимизировать реакцию (14) в максимально возможной степени. Мягкие металлы имеют тенденцию к высоким водородным перенапряжениям. Ртуть, например, используют многие десятилетия, чтобы извлечь металлический натрий {E1/2=-2,7 В) из водных растворов, чтобы произвести гидроксид натрия. Ртуть, конечно, является жидкостью, а также имеет ограничения, относящиеся к окружающей среде. Однако жидкая ртуть или ртутное покрытие на поверхности другого металла обеспечило бы протекание реакции (14) с высоким кпд и рассматривается как пример осуществления электропреобразовательной ячейки. Другие мягкие металлы в твердом состоянии также входят в объем изобретения. Они включают висмут, свинец, олово, таллий, кадмий, галлий и индий, но не ограничены ими. Различные сплавы этих металлов проявляют очень высокое перенапряжение. Теллур отравляет способность электрода образовывать газообразный водород, и его можно включать как свободный элемент или как теллурид других металлов, перечисленных выше. Разнообразные комбинации доступных сплавов позволяют проектировщикам выбрать материал, основываясь на водородном перенапряжении, коррозионной стойкости к различным окружающим средам, стоимости, механических качествах и других параметрах. Как легко заметить, оптимальная ячейка перезарядки должна иметь большую площадь поверхности (и, следовательно, низкую плотность тока) анода, который покрывают золотом или окисью иридия. Катод должен иметь меньший (с более высокой плотностью тока) электрод, который покрывают мягким металлическим сплавом. Хотя можно сконструировать одиночную ячейку, которая может эффективно заряжаться и разряжаться, однако электропреобразовательная ячейка дает проектировщику свободу использования и других вариантов (свободу выбора между двумя ячейками или одной) для создания решения, соответствующего конкретным условиям использования. Следует отметить, что любой перезаряжаемый аккумулятор представляет электрохимический синтез реагентов. Бороводородные соли являются полезными химическими веществами, и их широко используют в химической промышленности как восстановители. Себестоимость производства современными способами высока, так как бороводород производят с помощью реакции гидрида натрия или с трехфтористым бором, или с борными эфирами органических спиртов. При этом производят большие количества побочных продуктов, которые необходимо отделять от бороводорода. В противовес этому производство бороводорода и электричества из дешевых боратов и даже буры представляет значительное улучшение в издержках производства и может даже подстегнуть "бороводородную экономику", в которой возникает инфраструктура для распределения, например, энергии для электроустановок общего пользования или, например, водорода на очистительный завод (бороводород выделяет газообразный водород при различных условиях), или раствора бороводорода к транспортным средствам как легко поддающегося перекачке насосом и хранимого раствора бороводорода. Электроды, которые делают из этих сплавов, и реакция (13) представляют новые материалы для использования в электрохимическом синтезе бороводородов. Эти электроды можно также использовать при любом восстановлении, в котором необходимо высокое водородное перенапряжение.Такие материалы, как титан, ванадий, другие переходные металлы, так же как редкоземельные металлы, можно восстанавливать из водных растворов с помощью этих электродов как катодов при операциях типа электрохимической металлизации. Способы производства этих материалов обычно зависят от восстановления безводных хлоридов с таким активным металлом, как магний или натрий. Ванадий восстанавливают из окисей и алюминия в реакции термитного типа. Все эти способы дороги и имеют проблемы при извлечении металла из матрицы расплавленных солей. Эти электроды можно также использовать в любом электрохимическом синтезе, в котором желателен высокий восстановительный потенциал. Органические соединения можно восстанавливать электрически, например с дешевой водой как источником протонов. Синтез бороводорода из боратов является сравнительно чистым и эффективным. Продуктами являются кислород и бороводород. Присутствует малое количество гидроксида, но это полезно, поскольку основные состояния стабилизируют раствор. Для энергии и большинства других использований гидроксид можно оставлять. Если необходимо восстановление сухого продукта, его можно отделять от бороводорода одним из нескольких существующих способов. Доступность бороводорода позволяет перекачивать растворы из одного местоположения в другое, где его можно преобразовать обратно в электричество. Бороводород может также быть очень безопасным и дешевым способом транспортировки водорода. Например, нефтеперерабатывающие заводы в настоящее время часто являются чистыми потребителями водорода. Раствор бороводорода можно транспортировать (с помощью трубопровода, барж, железных и автомобильных дорог и т. д.) к месту, где нужен водород. Если раствор подкисляют или катализируют катализатором из переходного металла, такого как кобальт, выделяется водород:
![электропреобразовательная ячейка, патент № 2186442](/images/patents/284/2186442/2186442-2t.gif)
В реакции (15) выделяются большие количества водорода. Если 44% по весу раствор бороводорода подкисляют, один литр раствора выделяет приблизительно 116,3 г водорода. Это количество водорода больше, чем доступное из других источников водорода. Даже криогенный жидкий водород имеет плотность только 70 г на литр. Водород, сжатый до 41,4 МПа, имеет плотность только 36 г на литр. Если водород запасают в таких сплавах, как сплавы редкоземельные металлы - никель, то запасают приблизительно 1% весового водорода. При этом плотность сплава дает плотности немного выше, чем у жидкого водорода, но меньше, чем в растворе бороводорода. В любом случае сплавы очень дороги и их не так легко обрабатывать, как жидкость. Раствор бороводорода также более просто и более безопасно обрабатывать, чем жидкий водород или водород высокого давления. Еще более высокая плотность доступна, если бороводород обрабатывают как твердое тело или как поддающуюся перекачке насосом суспензию, или более высокотемпературный раствор с приблизительно от 80 до 90% весовых. Таким образом, доступно удвоение количества водорода более чем до 200 г на литр. Это соответствует 2240 л водорода из одного литра доставленного материала. (На месте добавляют некоторое количество воды). Это дает более чем 2,24 м3 водородного газа из одного литра материала. Чтобы сохранять газообразный водород при этой плотности, необходима система, которая работает при почти 227,5 МПа (это давление является типичным для давления, которое развивается внутри ствола винтовки во время выстрела). Отработанная жидкость представляет собой раствор бората, который можно послать обратно в устройство регенерации и преобразовать обратно в бороводород посредством регулирования рН в случае необходимости и электролиза в ячейке, чтобы синтезировать бороводород, и тем самым по существу обеспечивают замкнутую систему с электричеством и водой как реагентами и водородом и кислородом как продуктами. Необходимая для этого энергия предпочтительна по сравнению с транспортировкой электричества на большое расстояние ввиду потерь в линии. Она также конкурентоспособна с преобразованием сначала бороводорода в электричество и использованием этого электричества, чтобы генерировать водород, так как доступные ячейки электролиза работают с кпд только приблизительно от 70 до 75%. Следовательно, если цель транспортировки состоит в том, чтобы фактически закончить газообразным водородом как исходным сырьем, то приемлема прямая каталитическая реакция по уравнению (15). Если цель транспортировки состоит в передаче электричества, как конечного продукта, то преобразование бороводорода в электропреобразовательной ячейке согласно уравнению (1) является более подходящим. Как упомянуто ранее, некоторые применения могут потребовать работы при более высоких напряжениях, чем напряжение на выводах ячейки. Если желательна биполярная ячейка, ее можно сделать с использованием химических процессов согласно данному изобретению, как схематично показано на фиг.7. Ячейку можно использовать или благодаря ее способности генерировать электричество, или как устройство для синтеза бороводородов. На фиг.7 биполярное устройство состоит из биполярного электрода, анолита, мембраны с избирательной проницаемостью, католита. Данную последовательность затем повторяют. Каждая такая последовательность представляет собой ячейку (электроды на двух концах являются не биполярными, но обычными с только одной поверхностью в контакте с электролитом). Аккумулятор может быть герметичным и может быть перезаряжаемым или нет, как это желательно. Аккумулятор может быть проточным, который требует, чтобы трубопровод распределял электролит в каждую камеру. Если он является электродом с непосредственно чередующимся поглощением и выделением воздуха, то необходимо также распределять воздух в каждую катодную камеру. Во всех показанных электродах, в отличие от многих стандартных электродов, сам электрод не является частью электрохимического процесса, и материалы, из которых изготовлен электрод, не изменяются в химическом составе. В результате повышается срок службы электрода и облегчается конструирование. Даже если материалы электрода могут способствовать протеканию химического процесса, который имеет место, сам электрод не изменяется. На фиг.8А-8Г показаны различные типы биполярных электродов, которые полезны в различных применениях. Эти электроды ни в коем случае не ограничивают имеющихся возможностей. На фиг.8А показана простая пластина, которая действует только как электронный коллектор. Ее можно использовать в конфигурации, как показано на фиг.5, где воздух разбрызгивают в отдельную камеру, и эту жидкость доставляют в каждую катодную камеру. Раствор бороводорода распределяют в каждую анодную камеру при использовании системы. Герметичная система, как показано на фиг.2, может быть выполнена биполярным способом с электродом, показанным на фиг.8А. На фиг.8Б одна сторона электрода показана как вентилятор. Эти электроды требуют большой площади поверхности, их обычно катализируют, и они также требуют пространства для католита. На фиг.8В показан биполярный электрод, который больше оптимизирован для ячейки перезарядки или ячейки, которую выполняют для производства бороводородов. Этот электрод покрывается материалом с высоким водородным перенапряжением на стороне ячейки, поверхность которой обращена к раствору бората/бороводорода. Другая сторона электрода имеет покрытие материалом с низким кислородным перенапряжением на стороне, которая обращена к окислительной стороне ячейки. Этот электрод подходит для ячеек перезарядки, как показано на фиг.4 и 5, или в качестве электрода для ячейки 2 на фиг.5, или в качестве электрода для производства бороводородов. Электрод на фиг.8Г представляет собой комбинированный электрод для использования в конфигурациях с прямым чередующимся поглощением и выделением воздуха. Одну сторону можно покрыть материалом с высоким водородным перенапряжением и обратить к раствору бората/бороводорода. Другая сторона имеет электрод с чередующимся поглощением и выделением воздуха. Этот электрод можно использовать в биполярной конфигурации ячейки 2 по фиг.3 и 4. Его можно также использовать в ячейке перезарядки 5 по фиг.4 и 5. Так как эта ячейка перезарядки (5) является также ячейкой синтеза для производства бороводородов, этот электрод подходит также для производства бороводородов. Дополнительная эксплуатационная гибкость объясняется тем, что многие бороводородные соли в значительной степени растворимы в других растворителях помимо воды. Например, растворимость бороводородистого натрия в диметилформамиде при 20oС составляет приблизительно 18% весовых. Она растет при более высоких температурах. Если ячейка должна функционировать в окружающей среде, которая не подходит для воды, вместо нее можно использовать этот растворитель. Как упомянуто выше, бороводородистый натрий очень хорошо растворим в безводном аммиаке. Эта система допускает очень низкие температуры эксплуатации и высокие удельные энергии. Эта система также позволяет, например, использовать чрезвычайно высокую растворимость таких материалов, как нитрат аммония, как высококонцентрированный окислитель, как католит. Комплексообразующие реагенты (такие, как крон-эфиры) или другие реагенты, которые увеличивают растворимость бороводорода в любом данном растворителе, также можно использовать, и они рассматриваются как подходящие под область охвата данного изобретения. Хотя мембраны с избирательной проницаемостью допускают перенос неионных материалов через мембрану осмотическим давлением, в одну и ту же ячейку можно ввести две различные системы растворителей. Например, диметилформамид/бороводородный раствор может быть анолитом, а водный раствор гидроксида натрия может быть католитом. В еще одном примере осуществления изобретения мембрану с избирательной проницаемостью можно удалить, и ячейку могут образовать две жидкости, которые не растворимы друг в друге, но каждая может растворять необходимый электролит. Например, бороводородистый натрий, который растворяют в воде, служит анолитом. Галоид, такой как хлор, который растворяют в таком растворителе, как хлороформ, может быть католитом. Катализатор фазового превращения (такой, как галогенная соль четвертичного аммония, R4N+X-) для переноса хлорида через барьер служит как вариант, чтобы обеспечить проводимость. Другие примеры осуществления охватываются формулой изобретения.
Класс H01M4/58 неорганические соединения, кроме оксида и гидроксида