VLIV MAGNETICKÉHO POLE NA ENERGETICKOU KAPACITU VODOU AKTIVOVANÝCH GALVANICKÝCH ČLÁNKŮ S VYVINUTÝM POVRCHEM ELEKTRODY – Základní výzkum (vědecký časopis)

Tento článek navrhuje metodu pro zvýšení účinnosti primárních galvanických článků s využitím permanentních magnetů pro zvýšení rychlosti pohybu iontů v celkovém objemu elektrolytu. Je uveden přehled stávajících sériově vyráběných primárních galvanických článků. Jsou stanoveny hlavní požadavky na konstrukci článků a použití konstantního magnetického pole v nich. Výsledkem výzkumné práce je zvýšení účinnosti vodou aktivovaného galvanického článku aktivací elektrochemických procesů v důsledku magnetického pole při studiu chemického zdroje proudu s následujícími technickými řešeními: spirálová anoda z měděného drátu a permanentní magnet pro vytvoření rozvinuté pracovní plochy katody, vliv magnetického pole na elektrolyt, prodloužená životnost a mnohonásobné použití s výměnou elektrod a elektrolytu dle potřeby.

galvanický článek
magnetická indukce

1. Varypaev V.N. a kol. Chemické zdroje proudu. Učebnice pro studenty vysokých škol se specializací “Technologie elektrochemické výroby”. – M.: Vyšší škola, 1990. – 240 s.

2. Minenko V.I. Magnetické ošetření systémů dispergovaných ve vodě. – Kyjev: Tehnika, 1970. – 165 s.

3. Nikitenko G.V. Vliv magnetického pole na vodní soli // Fyzikální a technické problémy vytváření nových technologií v zemědělsko-průmyslovém komplexu: materiály III. ruské vědecko-praktické konference. – Stavropol: Vydavatelství Stavropolské státní agrární univerzity “Agrus”, 2005. – S. 92-96.

4. Primární galvanický článek; držitel patentu: Federální státní vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání Stavropolská státní agrární univerzita: patent č. 68187 Ruská federace, IPC8 H01M 6/32, H01M 6/34. – 2007122965/22; prohlášeno 18.06.2007; publikováno 10.11.2007, bulletin č. 31.

5. Primární galvanický článek: patent č. 2343570 Ruská federace, IPC8 H01M 6/32, H01M 6/34; držitel patentu: Stavropolská státní agrární univerzita. – 2009122965/22; prohlášeno 22.03.2008; publikováno 10.11.2009, bulletin č. 31.

V oblastech vzdálených od centralizovaných sítí napájení nebo v nouzových (havarijních) situacích je potřeba víceúčelových zdrojů energie. Mohou se jednat o vodou aktivované baterie na bázi galvanických článků, určené jako zdroj energie pro napájení osvětlovacích zařízení, která jsou zásobována záchrannými vestami, rafty a dalšími prostředky pro záchranu osob, které utrpěly ztroskotání (nehodu) na vodě, a v dalších případech souvisejících s problémem přežití.

Cílem práce je zvýšit účinnost primárních galvanických článků pomocí permanentních magnetů pro zvýšení rychlosti pohybu iontů v celkovém objemu elektrolytu.

Pro zvýšení účinnosti chemických zdrojů proudu je nutné aktivovat chemické procesy v nich probíhající, čehož lze dosáhnout použitím konstantního magnetického pole. V zmagnetizovaném elektrolytu se zvyšuje rychlost mnoha chemických procesů a krystalizace rozpuštěných látek, zesilují se adsorpční jevy, zlepšuje se koagulace nečistot a jejich srážení [3].

Pro vývoj opakovaně použitelného galvanického článku z dostupných elektroaktivních materiálů s dlouhou životností a skladováním pomocí permanentních magnetů se navrhuje vytvořit galvanický článek aktivovaný vodou.

Použití vodou aktivovaných zdrojů proudu výrazně sníží kapitálové investice a provozní náklady díky jejich nízkým nákladům. Likvidace takových vodou aktivovaných prvků není obtížná, protože jako elektrolyt se používá sladká nebo mořská voda. Zároveň jsou parametry takových zařízení poměrně vysoké. Provoz začíná jejich naplněním vodou a nevyžaduje vysoce kvalifikovanou údržbu [1].

Mezi výhody vodou aktivovaných baterií patří: dlouhá životnost bez aktivace; jednoduchost zařízení; bezporuchový provoz. Kromě toho jsou vodou aktivované baterie nejekologičtější v provozu.

Mezi nevýhody sériově vyráběných vodou aktivovaných baterií založených na jednotlivých galvanických článcích patří jejich jednorázové použití a nevhodnost pro následné použití, krátká životnost (až 8 hodin) a použití vzácných a drahých materiálů (hořčík, mangan, olovo, lithium atd.).

V tomto ohledu je vytvoření opakovaně použitelného galvanického článku z dostupných elektroaktivních materiálů s dlouhou životností a skladovatelností bez výše uvedených nevýhod relevantním a nezbytným úkolem.

Mezi povinné požadavky na konstrukci galvanických článků jakéhokoli typu patří: oddělení elektrod separátory, které zabraňují zkratům; zvětšení aktivní plochy elektrod; zajištění podmínek pro rovnoměrný provoz elektrod pro zvýšení proudové síly; zajištění mechanické pevnosti s minimální spotřebou materiálu; vytvoření pohodlí během provozu [1].

Pro řešení výše uvedených problémů byl z dostupných materiálů a se systémem měděno-zinkových elektrod vytvořen experimentální galvanický článek s využitím permanentních magnetů jako aktivátorů povrchu elektrody. Pro zajištění environmentální bezpečnosti při používání a likvidaci galvanického článku byl jako elektrolyt použit elektroaktivovaný roztok kuchyňské soli NaCl s koncentrací až 40 g/l.

Obr. 1. Galvanický článek: 1 – válcové těleso; 2 – katoda z měděného drátu; 3 – anoda; 4 – permanentní magnet; 5 – aktivní vrstva; 6 – plovák; 7 – vodicí pouzdro; 8 – kryt; 9 – separátor; 10 – piezometr; 11 a 12 – trubky s odbočkami; 13 – svorky

Charakteristickým rysem navrhovaného galvanického článku (obr. 1) je přítomnost elektricky aktivovaného elektrolytu obsahujícího určitou koncentraci soli NaCl, vývoj pracovní plochy katody pomocí permanentního magnetu a vliv magnetického pole na elektrolyt.

Vliv konstantního magnetického pole na vodné roztoky solí způsobuje interakci kladných a záporných iontů mezi sebou v důsledku získané energie vnějšího magnetického pole, čímž vznikají iontová pole v celkovém objemu elektrolytu. Konstantní magnetické pole tak podporuje zvýšení koncentrace iontového pole kolem elektrod, směrovaný pohyb iontů mezi elektrodami galvanického článku a rychlost pohybu iontů v celkovém objemu elektrolytu. V tomto případě velikost magnetické energie závisí na velikosti magnetické indukce konstantního pole interagujícího se solemi v roztoku: čím vyšší je velikost magnetické indukce, tím větší je energetická rezerva a v důsledku toho je provoz galvanického článku efektivnější [2, 3]. Konstrukce galvanického článku je chráněna patentem na vynález a patentem na užitný vzor [4, 5].

Studie týkající se stanovení vlivu indukce magnetického pole permanentních magnetů na parametry vodou aktivovaného galvanického článku byly provedeny při hodnotách magnetické indukce B = 116, 140, 250 mT. V tomto případě byly k vyvinutí plochy pracovního povrchu katody použity pozinkované železné třísky. Koeficient vývoje povrchu elektrod (Kp) byl vypočítán pomocí výrazu, který autory empiricky určily:

kde Kp je koeficient vývoje povrchu katody; S0 je plocha ploché elektrody, m2; Sp je plocha vývoje pracovního povrchu elektrody, m2; 0,8 je koeficient zohledňující ztrátu plochy pracovního povrchu při kontaktu s upínacím povrchem.

Obr. 2 ukazuje výsledky experimentů s galvanickými články s koeficientem vývoje plochy pracovní plochy katody Kp = 2,2 při zatížení 100 Ohmů po dobu 24 hodin.

Jak je patrné z grafů, nejúčinnější je galvanický článek s maximální hodnotou indukce magnetického pole permanentního magnetu. Se zvyšující se specifickou pracovní plochou anody a magnetickou indukcí se hodnota proudu chemického zdroje proudu stabilizuje. Jak vyplývá z grafu, proud galvanického článku při B = 250 mT během 14 hodin provozu mírně klesá a poté proud klesá, ale s následnou stabilizací.

Obr. 2. Změna síly proudu galvanického článku při různých hodnotách indukce magnetického pole: 1 – bez použití permanentního magnetu; 2 – s permanentním magnetem při magnetické indukci B = 116 mT; 3 – s B = 140 mT; 4 – s B = 250 mT.

Výsledky experimentálních dat o závislosti napětí nám umožnily zjistit, že napětí galvanického článku v průběhu času mírně klesá a nezávisí na velikosti elektrod, koeficientu vývoje povrchu elektrod a hodnotě indukce magnetického pole.

1. Aplikovaná indukce magnetického pole permanentních magnetů umožňuje zvýšit účinnost primárního galvanického článku, čehož je dosaženo aktivací elektrochemických procesů v důsledku magnetického pole.

2. Navrhovaný vodou aktivovaný galvanický článek má oproti jiným technickým řešením následující výhody: spirálová anoda z měděného drátu má žebrovaný povrch, což výrazně zvětšuje pracovní plochu elektrody; použití permanentního magnetu umožňuje nejen vytvořit rozvinutý pracovní povrch katody, ale také působit na elektrolyt magnetickým polem, a tím zvýšit měrnou energetickou kapacitu.

3. Vytvořený galvanický prvek má zvýšené specifické výstupní parametry, životnost a umožňuje jeho opakované použití s výměnou elektrod a elektrolytu dle potřeby za použití dostupných a levných materiálů.

Recenzenti:

Kazub V.T., doktor technických věd, profesor, vedoucí katedry fyziky a matematiky, Pjatigorský lékařský a farmaceutický institut, pobočka Volgogradské státní lékařské univerzity Ministerstva zdravotnictví Ruské federace, Pjatigorsk;

Janukjan E.G., doktor fyzikálních a matematických věd, děkan Fakulty strojírenství SKFU (f), Pjatigorsk.

Práce obdržela redaktorka 22.05.2013. dubna XNUMX.