1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29877
(51) H01M 4/00 (2006.01)
H01M 4/06 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0522.1
(22) 16.04.2014
(45) 15.05.2015, бюл. №5
(72) Баешов Абдуали Баешович; Мусина Зухра
Маликовна; Баешова Ажар Коспановна;
Абдувалиева Умида Абдрахмановна
(73) Акционерное общество "Институт
органического катализа и электрохимии им.
Д.В. Сокольского"
(56) KZ 26304, 15.11.2011
(54) ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
(57) Изобретение относится к области
электрохимии, в частности к химическим
источникам тока.
Техническим результатом является повышение
срока службы работы химического источника тока.
Это достигается тем, что в качестве отрицательного
электрода используют свинцовый электрод, а в
качестве электролита серная кислота, содержащая
двух- и трехвалентные ионы железа.
Поставленная техническая задача достигается
методом восстановления ионов трехвалентного
железа на графитовом электроде и обратного
окисления последнего на поверхности
нерастворимого свинцового электрода, покрытого
сульфатом свинца до трехвалентного. Это
осуществляется путем погружения в раствор серной
кислоты с концентрацией 100 г/л, содержащей
10 г/л железа (II), 10 г/л железа (III) свинцовые и
графитовые электроды. Межэлектродные
пространства не разделяют. При комнатной
температуре величина электродвижущей силы (Е)
источника тока «свинец-графит» в отсутствии
внешнего нагрева составляет 471 мВ, и с течением
времени практически не изменяется.
(19)KZ(13)A4(11)29877
2. 29877
2
Настоящее изобретение относится к области
электрохимической энергетики и, в частности к
химическим источникам тока, которые служат для
превращения энергии химических реакций,
протекающих на электродах, в электрическую.
Роль автономных химических источников тока в
современной технике и в быту чрезвычайно велика,
т.к. в настоящее время химические источники тока
стали привычным атрибутом современной
цивилизации и применяются в самых разнообразных
устройствах - от бытовых приборов, средств связи,
вычислительной техники, фото- и видеоустройств, а
также до медицинских имплантантов и космических
аппаратов.
Прототипом данного изобретения является
железо-графитовый гальванический элемент
/Баешов А. И др. Инновационный патент РК
№26304 от 15.11.2011, (бюл. №10, 2012,
Химический источник тока/.
Сущность известного изобретения заключается в
следующем: химический источник тока состоит из
железного и графитового электродов, погруженных
в раствор хлорида аммония, содержащий ионы
железа. Железо растворяется с образованием
двухвалентных ионов и является отрицательным
электродом, а на графитовом электроде ионы
трехвалентного железа, имеющиеся в растворе,
восстанавливаются до двухвалентного состояния.
Основными недостатками прототипа являются
следующие обстоятельства:
- железо, служащее как отрицательный электрод
химического источника тока подвергается
растворению, в этой связи срок службы такой
системы носит ограниченный характер;
- используется дорогой и дефицитный реагент -
хлорид аммония, который не производится в нашей
стране.
Задачей предлагаемого изобретения является
получение химического источника тока с
использованием в качестве электродов
нерастворимых материалов.
Техническим результатом является повышение
срока службы работы химического источника тока.
Техническое решение достигается тем, что в
качестве отрицательного электрода используют
свинцовый электрод, а в качестве электролита -
серную кислоту, содержащую двух- и
трехвалентные ионы железа.
При работе предлагаемого источника тока, ни
свинцовый электрод, ни графитовый электрод не
растворяются. Следует упомянуть, что во всем мире
в сернокислом растворе в качестве нерастворимого
анода используют свинцовые электроды.
в сернокислом растворе в качестве
нерастворимого анода используют свинцовые
электроды.
На графитовом электроде устанавливается
потенциал, обусловленный окислительно-
восстановительной системой Fe2+
- Fe3+
, и его
величина в стандартных условиях равна +0,77 В:
Fe3+
- е ↔ Fe2+
Е0
= + 0,77 В (1)
При погружении свинцового электрода в раствор
серной кислоты, он покрывается малорастворимой
пленкой сульфата свинца (II), который имеет очень
низкое произведение растворимости
(ПРPbSO4=1,6·10-8
):
Pb + SO4
2-
- 2е↔PbSO4 Е°=-0,356 В (2)
Стандартный потенциал данной системы
составляет 0,356 В и в этом случае формируется
электрод второго рода.
Таким образом, при погружении свинцового и
графитового электродов в сернокислый раствор,
содержащий ионы трехвалентного и двухвалентного
железа устанавливается нижеуказанная
гальваническая пара химического источника тока:
Pb | H2SO4, Fe2+
, Fe3+
| С (3)
Ниже приводится величина электродвижущей
силы данной химического источника тока в
стандартных условиях:
Е = - 0,356 + 0,771 = 1,27 В (4)
На графитовом электроде, имеющем более
положительный потенциал, может протекать
единственная реакция 5 восстановления
трехвалентных ионов железа до двухвалентного
состояния:
Fe3+
+ е → Fe2+
(5)
На свинцовом электроде, который является
отрицательным электродом, могут протекать
реакция 2 и следующие окислительные реакции
(6-8):
Fe2+
- е → Fe3+
Е0
= +0,771В (6)
PbSO4+2Н2O-2е→РbO2+SO4
2-
+2Н+
Е0
=+1,685 В (7)
2Н2O - 2е → О2 + 4Н+
Е0
= + 1,229В (8)
Согласно термодинамическим данным на
отрицательном свинцовом электроде
гальванической пары химического источника тока, в
первую очередь, будет протекать окисление свинца
по реакции 2, т.е. по всей поверхности свинцового
электрода, поверхность практически полностью
покрывается тонкой пленкой PbSO4, далее реакция с
незначительной скоростью может протекать через
поры и постепенно прекращается.
Окисление свинца или сульфата свинца до
диоксида свинца по реакции 7 практически
невозможно, т.к. эта реакция протекает при очень
высоких анодных потенциалах. В этой связи, на
поверхности свинца, покрытого сульфатом свинца,
будут окисляться ионы двухвалентного железа до
трехвалентного по реакции 6.
Таким образом, в предложенном химическом
источнике тока основными электродными
реакциями являются - восстановление ионов
трехвалентного железа на графитовом электроде по
реакции 5 и обратное окисление последнего на
поверхности нерастворимого свинцового электрода,
покрытого сульфатом свинца до трехвалентного по
реакции 6.
В этой связи, при низких плотностях тока на
электродах, химический источник тока будет
работать достаточно долго, т.к. на одном электроде
ионы железа окисляются, а на другом
восстанавливаются. Вес графитового и свинцового
электродов не уменьшается.
Принципиальная схема системы «свинец-
графит» химического источника тока приведена на
фиг.1.
3. 29877
3
Нижеуказанные примеры иллюстрируют
сущность заявляемого изобретения.
Пример 1. Емкость объемом 0,07 л заполняют
раствором 100 г/л серной кислоты, содержащей
10 г/л железа (II), 10 г/л железа (III) и далее
помещают в него свинцовые и графитовые
электроды. Межэлектродные пространства не
разделяют. При комнатной температуре величина
электродвижущей силы (Е) химического источника
тока системы - «свинец- графит», в отсутствии
внешнего нагрева после 0,5 суток, составляет 471
мВ, и с течением времени практически не
изменяется.
В таблице 1 приводятся величины изменения
электродвижущей силы (Е) при внешнем
сопротивлении 10000 Ом в зависимости от
продолжительности.
Таблица 1
Изменение величины электродвижущей силы (Е) и тока при внешнем сопротивлении 10000 Ом в
зависимости от продолжительности: H2SO4 - 100 г/л; Fe (II) - 10 г/л; Fe (III) - 10 г/л; t = 20°С
τ, сутки 0,5 1,0 3,0 5,0 10 15
Е, мВ 471 470 471 470 471 470
I, мА 0,082 0,081 0,082 0,082 0,081 0,082
Как видно из таблицы, с течением времени
величина Е и величина тока в цепи не изменяются
при продолжительности 15 суток, также без
изменения остается и вес электродов.
Пример 2. При электролизе в качестве анода
используют графитовый электрод, катода -
специально приготовленный свинцово - графитовый
электрод. Катодный материал предлагаемого
химического источника тока готовят следующим
образом: тщательно измельчают 10 г сульфата
свинца и 10 г графита до образования однородной
массы. Образованные порошки перемешивают в
соотношении 1:1. Полученную массу помещают в
специально приготовленную цилиндрическую
форму общим объемом 1,96 см3
и прессуют.
Полученный электрод высушивают при комнатной
температуре в течении суток. Для проведения
электролиза берут 0,1 л раствора серной кислоты с
концентрацией 100 г/л, содержащей 10 г/л железа
(II), 10 г/л железа (lll). Межэлектродные
пространства не разделяют. При комнатной
температуре величина электродвижущей силы (Е)
источника тока «сульфат свинца - графит» в
отсутствии внешней нагрузки, составляет при 1
сутках - 30 мВ и с течением времени на 6 - сутки
понижается до 6 мВ.
В таблице 2 приводятся данные по изменению
электродвижущей силы (Е) и тока без внешнего
сопротивления в зависимости от
продолжительности.
Таблица 2
Изменение величины электродвижущей силы (Е) и тока без внешнего сопротивления в зависимости от
продолжительности времени: PbSO4 - С (1:1), H2SO4 - 100 г/л; Fe (II) - 10 г/л; Fe (III) - 10 г/л; t = 20°С
τ, сутки 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Е, мВ 30 20 10 10 7 6 6 6 6
I, мА 0,6 0,4 0,3 0,25 0,25 0,20 0,20 0,20 0,15
Таким образом, предлагаемый химический
источник тока - «свинец- графит» имеет следующие
преимущества по сравнению с прототипом:
1) Используются нерастворимые электроды в
сернокислой среде: на электродах протекает
циклическая реакция окисления и восстановления
ионов двухвалентного и трехвалентного железа.
Такие химические источники тока могут
непрерывно работать в течении десятки лет.
2) В качестве электролита используется
доступный и дешевый раствор серной кислоты.
Серная кислота производится в нашей республике в
большом количестве. Ее получают из выбросов
газов производства металлургии цветных металлов,
а также из сера-отходов, которые накапливаются в
нашей стране в очень большом количестве при
переработке нефти и газов.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Химический источник тока с использованием
графитового электрода и водного раствора ионов
железа, отличающийся тем, что в качестве второго
электрода используют свинцовый электрод,
погруженный в раствор серной кислоты,
содержащий ионы двух- и трехвалентного железа.
