Электропреобразовательная ячейка

Электропреобразовательная ячейка

Реферат

 

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.

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 ВН₃NН₃ или ВН₃N₂Н₄. Можно также образовывать неборсодержащие материалы, которые представляют интерес, например соединения, которые содержат металлы или соединения водных и/или неводных систем. Как прежде, в этом способе можно использовать биполярный электрод; можно также использовать мембрану с избирательной проницаемостью, например анионную мембрану, катионную мембрану с избирательной проницаемостью, например анионную мембрану, катионную мембрану или биполярную мембрану. Кислород может выделяться из анода при образовании бороводорода в католите. Окисленные соединения могут образовываться в качестве продукта в анодной камере. Небороводородные бораны могут образовываться посредством добавления к католиту аддуктов частичного восстановления или других аддуктов, таких как ион цианистого калия, амидные ионы, галогенные ионы и псевдогалоидные соединения.

Еще в одном аспекте изобретение в основном представляет перенос аниона бороводорода от точки порождения до точки потребления посредством приложения электрического потенциала к раствору окисленного бороводорода в точке порождения, чтобы произвести бороводород в первой ячейке и перенос раствора бороводорода в точку потребления, куда бороводород подают для окисления во второй ячейке. Отработанный раствор, который содержит окисленный бороводород, может также транспортироваться от точки потребления до места порождения и прикладывать электрический потенциал к отработанному раствору в точке порождения для образования бороводорода в первой ячейке. Возникающий в результате бороводород можно использовать как описано выше. В качестве альтернативы его можно соединять с водой, чтобы генерировать водород посредством восстановления воды, например, катализируемой присутствием соединений переходных металлов, таких как соединения кобальта (II) (например, гидроксид кобальта (II)). Водород может собираться и транспортироваться к точке потребления водорода, например, промышленному потребителю водорода. Раствор окисленного бороводорода можно транспортировать обратно к точке порождения, чтобы снова использовать для получения бороводорода.

Эту систему можно использовать с ячейками, которые выполняются в соответствии с требованиями установки на транспортном средстве, в котором частично или полностью используется электричество для приведения в движение транспортного средства. Их также можно использовать для накопления электричества в таких применениях, как выравнивание уровня полезной нагрузки электрических установок общего пользования и других средств накопления электричества. Короче говоря, этот аспект характеризует собой систему транспортировки бороводорода как способ передачи энергии к заданному местоположению, например систему транспортировки и распределения бороводорода, такую, что средства передвижения, которые работают на бороводороде, можно заправлять свежим бороводородом и сливать бораты. Раствор бората преобразуют в раствор бороводорода с помощью ячейки для синтеза бороводорода, для перезарядки аккумулятора, посредством электрического восстановления иона бората.

Система с выгодой использует очень высокую энергию пар электродов на основе использования бороводородов у анода. Кроме того, система является универсальной, потому что реагенты можно использовать в самых разнообразных химических условиях для вторичных и для первичных источников тока. Термин "вторичные" связан со способностью к перезарядке ячейки, а "первичный" связан с системой, в которой первоначальные реагенты используют только однократно и не восстанавливаются реакцией зарядки. Другой особенностью, которая обеспечивает эксплуатационную гибкость, является растворимость реагентов в воде или других растворителях, которая допускает конфигурации, в которых реагенты прокачиваются через ячейку или сохраняются неподвижными в пасте или геле, или растворе.

Реагенты можно варьировать, включая широкое множество окислителей для катода аккумулятора, в том числе кислород, который можно получать из окружающего воздуха. Эта гибкость допускает много конфигураций, характеризуемых продолжительным сроком службы при малой мощности до высокой мощности при продолжительном сроке службы, как это необходимо. Способность сохранять жидкое топливо вне ячейки является ключевой для обеспечения системы с большим диапазоном, в которой площадь электрода не зависит от общей сохраненной энергии, например, в таких применениях, как выравнивание уровня нагрузки электростанций и автомобильный транспорт. Израсходованную жидкость можно быстро поменять на новую жидкость вместо того, чтобы реально перезаряжать систему с использованием электричества.

Термин "электропреобразовательная ячейка" включает в себя понятие, относящееся к преобразованию или электричества в химический продукт, или химического продукта в электричество, а также к работе в качестве первичного источника тока, вторичного источника тока, топливной ячейки или ячейки синтеза или любой комбинации вышеупомянутых ячеек.

Ячейка относится к любой электрохимической системе, которая производит или потребляет электричество и/или производит и потребляет химические продукты. Аккумулятор относится к любой комбинации ячеек, которую используют для выработки электричества. Первичный источник тока относится к ячейке, спроектированной для выработки электричества, причем без возможности перезаряда. Вторичный источник - это ячейка, которая может вырабатывать электричество и может перезаряжаться. Топливная ячейка - это ячейка, которая генерирует электричество посредством потребления "топлив", таких как водород, гидразин или метанол с кислородом, и обычно производит электричество, пока подают топлива, но не реверсирует свою функцию для перезарядки или выработки материалов, которые она использовала. Как отмечено, понятие "электропреобразовательная ячейка" относится к ячейкам, определенным ниже, которые имеют возможность функционирования в одном или больше из нескольких режимов.

В нижеследующих уравнениях, ссылки на напряжение (Е⁰ или Е^1/2) подразумевают нормальные условия и предусмотрены только для вычислений. Ячейки, которые эксплуатируют при условиях (включая концентрации, температуры и давления), которые отличаются от стандартных, показывают различные напряжения. Ничто связанное с указанным напряжением не следует рассматривать как ограничение широкого разнообразия комбинаций ячеек и аккумуляторов, предусматриваемого электропреобразовательной ячейкой, и не подразумевает фактического достижения указанного напряжения. Е⁰ относится к напряжению полной реакции, а Е^1/2 относится к половинной реакции, которая происходит в одной части ячейки, в то время как другая половинная реакция также должна происходить в ячейке.

Понятие "электрод" является очень широким термином и относится к проводящему материалу, который проводит электроны в ячейку или из нее. И аноды, и катоды являются электродами. Биполярные электроды (одна сторона которых является анодом, а противоположная сторона является катодом в смежной ячейке) являются электродами. Электроды могут быть твердыми или жидкими. Электроды с чередующимся поглощением и выделением воздуха также должны взаимодействовать с газом. В последние годы используются самые разнообразные электроды. Электроды могут быть простыми, как лист стали, или могут представлять собой "пенометалл" или коллоид или порошок. Электроды могут быть практически любой формы, включая листы (пластины), трубки, цилиндр, кубы, сферы или любой иной формы, которую можно разработать для данной цели. Они могут иметь такие характеристики, как пористые, не имеющие пор, проточные, продувочные и так далее. В то время как любые типы электродов используют в электропреобразовательных ячейках, чтобы получить желательный результат, ни один из них специально не требуется, чтобы использовать электрохимический процесс так, как показано в данном изобретении. Следовательно, при любом упоминании электродов любую конфигурацию электродов, которая используется в реальном аккумуляторе или ячейке на основе химических преобразований, описываемых в настоящем изобретении, следует рассматривать как пример осуществления данного изобретения.

Когда ячейка работает на разрядку и таким образом вырабатывает электричество, электрод, который взаимодействует с "топливом", которое окисляется, называется анодом. Жидкость в этой камере называют анолитом. Другая половина ячейки имеет электрод, называемый катодом, и раствор в этой камере называют католитом. В ячейке без барьера для поддержки различных химических процессов (свинцово-кислотный аккумулятор) анолит и католит представляют собой одно и то же (в свинцово-кислотном аккумуляторе это серная кислота) и их часто просто называют электролитом. В любом случае термин электролит, который используется здесь, относится к любой проводящей жидкости или суспензии в любой функции.

Когда аккумулятор перезаряжается, электричество вводится в ячейки. При этих условиях функции компонентов являются обратными, и анод теперь становится катодом и наоборот.

При альтернативной терминологии анод разражающейся ячейки определяется как отрицательный электрод. Электроны вытекают из этой стороны аккумулятора и проходят через нагрузку к положительной стороне аккумулятора. Во время перезарядки электроны текут к отрицательному электроду, и это обозначение не изменяется в зависимости от того, заряжается ли аккумулятор или разряжается.

Для энергии используют единицу ватт-час (Втч) или киловатт-час (кВтч), или килоджоуль (кДж). Для мощности используют единицу ватт (Вт) или киловатт (кВт). Плотность энергии относится к количеству энергии, получаемой из определенного объема ячейки или материала, выраженному, например, как ватт-часы на литр (Втч/л) или в киловаттах на литр (кВт/л). Удельная энергия относится к энергии, получаемой из определенной массы ячейки или материала, выраженной как ватт-часы на килограмм (Втч/кг) или киловатты на килограмм (кВт/кг). Плотность энергии и удельная энергия связаны между собой через плотность материала или системы. Удельная мощность относится к количеству мощности, получаемой на единицу веса, обычно в Вт/кг. Разбрызгиватель представляет собой устройство, которое облегчает контакт между газом и жидкостью, например устройство с мелкими порами, которое разбивает поток газа в очень мелкие пузыри, чтобы получить очень высокую площадь поверхности раздела с жидкостью.

Изобретатель использует единицу его собственного определения: Вольт-Фарадей (В-Ф). Эта единица В-Ф получается путем умножения напряжения реакции на число электронов, которые участвуют в реакции. Это представляет собой быстрый способ определения доступных энергий для аккумуляторов. Таким образом, 37,31 В-Ф равняется одному киловатт-часу (1000 ватт-часов); один В-Ф равняется 26,8 ватт-часам.

Во многих примерах изобретатель вычисляет теоретическую плотность энергии или теоретическую удельную энергию. Их используют для целей сравнения, и не следует рассматривать их как достижимые в любой реальной системе аккумулятора. Не следует также рассматривать любое такое число, как требование к какому-либо примеру осуществления электропреобразовательной ячейки. При теоретических вычислениях не принимаются во внимание никакие контейнеры, электроды, насосы или любые вспомогательные механизмы, которые могут потребоваться для изготовления реальной ячейки. Такие вычисления полезны для прогнозирования того, обеспечит ли конкретный химический процесс теоретическую возможность достижения некоторой цели.

Другие примеры осуществления будут очевидны для специалистов из нижеследующего описания предпочтительных примеров осуществления и из формулы изобретения.

Фиг. 1-8 (то есть фиг.8А-8Г) представляют собой схемы электрохимических ячеек.

Ключевая половинная реакция, которая определяет топливную сторону (анод или отрицательный электрод) ячейки, основана на ионах бороводорода. Реакция представляет собой BH₄ ^- + 8OH^--->BO₂ ^- + 6H₂O + 8e^-, E^1/2=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^-, E^1/2=0,401 B. (2) Результирующую реакцию для уравнений (1) и (2) находят посредством сложения двух реакций, чтобы получить BH₄ ^- + 2O₂ ^--->BO₂ ^- + 2H₂O, E^1/2=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 кВтч на литр должно быть доступно при кпд 100% (в единицах, которые использует Консорциум Перспективных Аккумуляторов: 5110 ватт-часов/литр). При более высоких температурах возможны большие растворимости бороводородов, и должны быть доступны даже более высокие энергии. В безводном аммиаке растворимость выше, и должны быть доступны даже более высокие запасенные энергии, если это необходимо.

В качестве более быстрого способа расчета изобретатель использует введенную им единицу Вольт-Фарадей, в дальнейшем В-Ф, которая определяется путем умножения напряжения ячейки на число электронов в реакции. Этот способ допускает быструю сортировку по доступным энергиям различных пар. Один киловатт-час равняется 37, 31 В-Ф. В качестве иллюстрации вышеупомянутая система в уравнении (3) дала бы 1,641 В8=13,128 В-Ф на моль реагентов. Это равняется 347,0 В-Ф/кг или для раствора 44% с плотностью 1,25 равняется 190,9 В-Ф/л или 5,11 кВтч/л, так же, как рассчитано выше.

В качестве энергетического сравнения, теоретическая энергия, получаемая от литра бензина, составляет приблизительно 33000 кДж. Литр раствора бороводорода содержит приблизительно 56% теоретической энергии, получаемой от галлона бензина. Если принять, что электрохимическая ячейка и электродвигатель могут преобразовывать энергию в механическое движение при кпд в 2,5-3 раза больше кпд двигателя внутреннего сгорания, то дальность и мощность того же самого порядка, которые доступны в стандартных автомобилях, будут обеспечены для автомобиля, который оборудуют такой основанной на бороводороде ячейкой, как описано здесь.

При энергетических плотностях, доступных для растворов бороводорода, электрическое устройство теоретически может запасать один гигаватт-час (10⁹ ватт-часов) электричества в резервуаре емкостью 473,1765 м³. Электрический автомобиль нормального веса, в котором используют кондиционирование воздуха, теоретически может пройти более чем 482,8 км с резервуаром емкостью 113,5 или 132,5 литров. Данный прогноз дает благоприятный результат сравнения со стандартными свинцово-кислотными аккумуляторами, основанными на реакции 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 Втч/кг. Исключительно на основе теоретической химии, бороводородная система может обеспечивать значительно больше энергии, чем свинцово-кислотная система.

В качестве еще одной точки сравнения, современной промежуточной задачей для разработки перспективного аккумулятора, установленной Консорциумом Перспективных Аккумуляторов США (USABC), является достижение плотности энергии между 100 Вт ч/л и 135 Втч/л и удельной энергии между 80 и 100 Втч/кг. Долгосрочной задачей для аккумулятора, который используют в электрическом транспортном средстве, должно быть достижение 200 Втч/кг.

Одно из преимуществ использования жидкого топлива (анода) и электролита состоит в том, что можно удалить твердые реагенты, которые обычно имеют форму пластин. Так как электроды должны представлять собой только коллекторы электронов, можно получить относительно простую и прочную конструкцию. Более высокие напряжения можно получить посредством последовательного соединения необходимого числа ячеек; в качестве альтернативы, другой способ достижения последовательного соединения состоит в том, чтобы использовать то, что известно, как биполярные электроды. В некоторых примерах осуществления электропреобразовательной ячейки биполярные электроды могут представлять собой простые листы соответствующего проводника. В других аккумуляторах, где электрод является также топливом, обычно получают более сложную конструкцию.

Дополнительно площадь электрода можно определить таким образом, чтобы получить необходимую для данного применения мощность. Если для данного применения требуется дополнительная энергия, можно увеличивать размер хранилища для источника бороводорода вместо того, чтобы увеличивать площадь электрода. В перезаряжаемой ячейке, которая использует раствор бороводорода, можно использовать внешний резервуар хранения подходящего размера, чтобы обеспечить желательные требования к результирующему накоплению энергии. Эта характерная черта особенно полезна для выравнивания уровня нагрузки электрооборудования общего пользования, электрических автомобилей и аварийных применений электричества, таких как освещение или источники бесперебойного питания (ИБП), которые используют в компьютерной промышленности, если назвать только некоторые из них. В ячейке, где бороводород представляет собой пасту или гель или вообще не является текучим, такой как ячейке для таких применений, как источники питания компьютеров, для игрушек, сотовых телефонов и т. д. , размер камеры можно увеличить, чтобы хранить большее количество бороводорода и тем самым увеличить запасенную энергию.

Все чертежи являются концептуальными, представлены не в масштабе и предназначены только для иллюстративных целей.

На фиг.1 показана основная ячейка без движущихся частей и с электродом с чередующимся поглощением и выделением воздуха. В основном можно использовать известные электроды с чередующимся поглощением и выделением воздуха или электроды, которые будут разработаны в будущем, если они химически совместимы с выбранной системой электролита. Как можно заметить, две половинные реакции одновременно происходят в соответствующих камерах, которые разделяют ионообменной мембраной с избирательной проницаемостью. Известны коммерчески доступные мембраны, которые позволяют проходить сквозь них некоторым типам ионов, помещаемые между отсеками катода и анода. В конфигурации с чередующимся поглощением и выделением воздуха ионоселективная мембрана необходима, чтобы предотвратить саморазряд ячейки, как это происходит со многими электродами с чередующимся поглощением и выделением воздуха, которые должны иметь большую площадь поверхности и катализаторы, чтобы поддерживать реакции с достаточно высокими скоростями, чтобы обеспечить приемлемые токи. Коммерчески доступные мембраны являются подходящими для использования в электропреобразовательной ячейке. По существу мембрана может быть или катионной, допуская только перенос катионов (натрий, Na⁺ в данном случае). Или они могут быть анионными, которые допускают перенос иона гидроксида, но не бороводорода. Биполярные мембраны также можно использовать в соответствующей конструкции, если это необходимо. Перенос иона бората (продукта разрядки) можно допустить в неперезаряжаемой системе или перезаряжаемой системе, которая способна извлекать борат из обоих жидкостных резервуаров. Ячейка функционирует с любым типом мембраны, и конкретное применение определяет соответствующие подходящие мембраны. В некоторых случаях можно обходиться без мембраны, если бороводород по существу не растворяют, но взвешивают в среде, которая предотвращает перенос бороводорода к катоду с чередующимся поглощением и выделением воздуха. В данном примере осуществления бороводородную "пасту" или "гель" изготавливают путем взвешивания порошка в материале, который дает низкую растворимость бороводорода