Способ и устройство для генерирования электроэнергии и способ его изготовления

Способ и устройство для генерирования электроэнергии и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

По данной заявке испрашивается приоритет по датам подачи: Международной заявки на выдачу патента №PCT/IL2009/000831, поданной 27 августа 2009, заявке США №61/310188, поданной 03 марта 2010 и заявке США №61/310313, поданной 4 марта 2010.

Содержимое всех вышеупомянутых документов включается путем ссылки так, как будто бы оно полностью изложено в настоящей заявке.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в некоторых его воплощениях относится к преобразованию энергии, в частности, но не ограничиваясь, к устройству и способу для генерирования электроэнергии.

Системы для преобразования энергии получают энергию в одной форме и преобразуют ее в другую форму. Во многих случаях механическая энергия, полученная, например, от тепловых двигателей, энергии воды или ветра приводит во вращение турбины, что приводит к генерированию электроэнергии. В других случаях, таких как твердотельные генераторы электрического тока, в процессе преобразования движущиеся части не применяются. Замкнутые электрохимические ячейки, главным образом известные как батареи, являющиеся всего лишь одним из примеров таких генераторов электрического тока, в основном используются для хранения, а не полноценного производства электрического тока, поскольку их производительность ограничивается количеством химического реагента, содержащегося в батарее. Открытые электрохимические ячейки, такие как топливные ячейки, которые могут дозаправляться (например, водородом в качестве ключевого реагента в реакции окисления, производящей химическую энергию, подлежащую преобразованию), являются более подходящими для использования в общем производстве электрической энергии. И в замкнутых, и в открытых устройствах имеет место необратимая химическая реакция между электродами и электролитом, или без участия электролита, в основном приводящая к химической деградации частей устройства, такой как коррозия электродов, или расходованию топлива.

Дополнительные системы для преобразования энергии включают термоэлектрические, термионные, термотунельные устройства, где тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию. Эти устройства в основном рассчитаны на высокотемпературный градиент между холодной и горячей поверхностью и/или на высокую рабочую температуру. В большинстве случаев, эти поверхности находятся в вакууме, для того чтобы обеспечить сохранение термического градиента, приводящего к производству электрической энергии. Однако в некоторых таких устройствах, могут использоваться газы, такие как газообразный цезий, для того, чтобы модифицировать свойства поверхностей и предотвратить образование объемного заряда вблизи электродов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Некоторые воплощения настоящего изобретения касаются устройства для генерирования электрической энергии, которые получают энергию за счет теплового движения молекул газа.

В некоторых воплощениях устройство содержит газообразную среду и множество частиц, распределенных так, чтобы образовать дисперсную структуру, имеющую пустоты в промежутке между частицами. Газовая среда включает молекулы газа, находящиеся в тепловом движении в пустотах. Некоторые из этих пустот совместно с частицами, прилегающими к этим пустотам, действуют как активные ячейки, как описывается далее. В такой активной ячейке молекулы газа приобретают заряд на поверхности частицы, прилегающей к одной стороне полости, и посредством теплового движения передвигаются через полость к поверхности другой частицы, прилегающей к противоположной стороне полости, и передают суммарный заряд другой частице.

Внешние стенки дисперсной структуры могут служить в качестве поверхностных электродов. Необязательно на структуру наносится по меньшей мере один поверхностный электрод.

Газовая среда может быть введена в дисперсную структуру перед использованием. Альтернативно, молекулы газа могут содержаться в дисперсной структуре в пустотах между частицами.

Способность твердой поверхности передавать заряд молекулам газа или получать заряд от молекул газа называется в настоящей заявке «способностью поверхности передавать заряд» в присутствии газа. Термин «способность передавать» дополнительно обсуждается ниже.

Способность передавать заряд двух противоположных поверхностей активной ячейки внутри устройства различается. Авторы настоящего изобретения открыли несколько технических решений для обеспечения того, чтобы две поверхности имели разные способности передавать заряды. Предпочтительно, поверхность частиц модифицируется in situ, так, чтобы в активной ячейке поверхности частиц, в основном находящихся друг от друга на противоположных сторонах полости между частицами, имели разную способность передавать заряд.

Рассматривается несколько методик модификации in situ. В основном модификация вызывается электрическим полем, которое направляют в основном по направлению толщины структуры и/или перпендикулярно поверхности электродов. Электрическое поле служит для разрушения симметрии, что обеспечивает различие в способности противоположных поверхностей частицы предавать заряд. Электрическое поле может генерироваться с помощью электрического источника напряжения. Альтернативно, электрическое поле может генерироваться с помощью помещения дисперсной структуры между двумя электродами, имеющими различные работы выхода электрона, в которых требуемое электрическое поле генерируется в силу этой разницы в работе выхода электрона. Электрическое поле может модифицировать только одну из двух противоположных поверхностей, или оно может модифицировать обе противоположные поверхности ассиметрично.

Модификация поверхности может происходить в присутствии жидкости или газа и может осуществляться при повышенной или не повышенной температурах как дополнительно подробно описывается в настоящей заявке далее. Типичные примеры рассматриваемых способов модификации поверхности включают без ограничения химическую модификацию, адсорбцию, гальванизацию, нанесение покрытий и поверхностную поляризацию или ориентацию. Эти модификации могут быть осуществлены с помощью электрических, термических, электрохимических или электротермических способов и любой их комбинации.

Согласно аспекту некоторых воплощений настоящего изобретения предлагается способ изготовления дисперсной структуры для применения в электрическом генераторе, в которой для передачи заряда между частицами используется совместимый газ. Способ включает: формирование из множества частиц структуры, содержащей пустоты между первой и второй противоположными поверхностями, по меньшей мере, некоторых частиц; и модификацию, по меньшей мере, части противоположных поверхностей таким образом, что при взаимодействии с совместимым газом способность передавать заряд первой поверхности отличается от способности передавать заряд второй противоположной поверхности.

Согласно некоторым воплощениям изобретения формирование осуществляется между первым поверхностным электродом и вторым поверхностным электродом, когда частицы находятся в сухой форме.

Согласно некоторым воплощениям изобретения формирование осуществляется без использования поддерживающего устройства.

Согласно некоторым воплощениям изобретения формирование осуществляется, когда частицы находятся в форме суспензии.

Согласно некоторым воплощениям изобретения формирование осуществляется посредством нанесения покрытия; литья; формовки; приложения к суспензии механического давления; нанесения покрытия с удалением излишков с помощью прутка; нанесения покрытия напылением; нанесения покрытия центрифугированием; экструзии суспензии и их комбинаций.

Согласно некоторым воплощениям изобретения способ дополнительно включает нанесение на структуру по меньшей мере одного поверхностного электрода.

Согласно некоторым воплощениям изобретения модификация включает электрохимическую модификацию, осуществляемую в жидкости.

Согласно некоторым воплощениям изобретения жидкость содержит полярный растворитель.

Согласно некоторым воплощениям изобретения жидкость содержит неполярный растворитель.

Согласно некоторым воплощениям изобретения жидкость содержит растворитель, выбранный из группы, содержащей бензол, хлороформ, диметилсульфоксид, этанол, гексан, додекан, изопарафиновый углеводород, изопропанол, метанол, воду и их комбинации.

Согласно некоторым воплощениям изобретения жидкость дополнительно содержит одно или более электроактивное соединение, выбранное из группы, содержащей соли, красители, оксиды, мономеры и поверхностно-активные вещества.

Согласно некоторым воплощениям изобретения электроактивное соединение выбрано из группы, содержащей ацетат цезия; сульфат марганца; хлорид никеля; нитрат никеля; неодеканоатные и версататные соли редкоземельных элементов; 2- этилгексаноат церия; пропионат и неодеканоат марганца; 2-этилгексаноат неодима; боратно-неодеканоатные комплексы кобальта; Basonyl® blau 636; Flexo черный; метиловый фиолетовый 2В; изопропоксид титана; метоксид магния; оксид никеля; пиррол; барий-(бис(тридецил)сульфосукцинат)₂ и диоктил натрия сульфосукцинат; и их комбинации.

Согласно некоторым воплощениям изобретения модификация включает электрохимическую модификацию, осуществляемую в газовой среде.

Согласно некоторым воплощениям изобретения газовая среда представляет собой один или более газ, выбранный из группы, содержащей восстанавливающие, окисляющие и галогенирующие газы.

Согласно некоторым воплощениям изобретения газ выбран из группы, содержащей диоксид азота, трифторид азота, хлороводород.

Согласно некоторым воплощениям изобретения модификация включает электротермическую модификацию.

Согласно некоторым воплощениям изобретения модификация осуществляется в присутствии электрического поля, в основном перпендикулярного противоположным поверхностям, генерируемого внешним источником энергии.

Согласно некоторым воплощениям изобретения способ включает нанесение на структуру поверхностных электродов, имеющих разные работы выхода электрона, при котором модификация поверхностей частиц осуществляется, по меньшей мере, отчасти с помощью электрического поля, генерируемого за счет разницы в работе выхода электрона.

Согласно некоторым воплощениям изобретения способ включает сушку или удаление текучей среды, по меньшей мере, из части структуры перед модификацией.

Согласно некоторым воплощениям изобретения способ дополнительно включает сушку или удаление текучей среды, по меньшей мере, из части структуры после модификации.

Согласно некоторым воплощениям изобретения структуру формируют с помощью нанесения суспензии частиц на подложку и удаления с подложки после сушки или вакуумирования.

Согласно аспекту некоторых воплощений настоящего изобретения предлагается дисперсная структура, производимая способом, описанным выше или дополнительно подробно описанным или приведенным в виде примеров ниже.

Согласно аспекту некоторых воплощений настоящего изобретения предлагается дисперсная структура для применения в устройстве электрического генератора, использующая для передачи заряда между частицами для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию совместимый газ. Дисперсная структура содержит множество частиц и пустот. Пустоты располагаются между первой и второй противоположными поверхностями, по меньшей мере, некоторых частиц, у которых способность передавать заряд при взаимодействии с газом, по меньшей мере, части из первых противоположных поверхностей отличается от способности передавать заряд, по меньшей мере, части вторых противоположных поверхностей, так, что соответствующие первые активные поверхности передают электрический заряд взаимодействующим с ними молекулам газа, а соответствующие вторые активные поверхности получают электрический заряд от взаимодействующих с ними молекул газа. В результате заряд передается между противоположными частицами и результирующий заряд передается с одной стороны дисперсной структуры к противоположной ее стороне.

Согласно аспекту некоторых воплощений настоящего изобретения предлагается электрический генератор для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Устройство содержит дисперсную структуру, как обозначено выше или описано, или приведено в виде примеров ниже, и газовую среду, имеющую молекулы газа, по меньшей мере, в части пустот.

Согласно некоторым воплощениям изобретения для каждой частицы части частиц способность частицы передавать заряд в основном является одинаковой для всех поверхностей.

Согласно некоторым воплощениям изобретения первая противостоящая поверхность и вторая противостоящая поверхность имеют практически идентичный химический состав.

Согласно некоторым воплощениям изобретения дисперсная структура или устройство дополнительно содержат первый и второй электрод, расположенные так, что дисперсная структура располагается между электродами, и при этом первый электрод и второй электрод имеют рабочие поверхности, выполненные из одного того же материала.

Согласно некоторым воплощениям изобретения дисперсная структура или устройство дополнительно содержат первый и второй электрод, расположенные так, что дисперсная структура располагается между электродами, и при этом первый электрод и второй электрод имеют рабочие поверхности из материалов с разными работами выхода электрона.

Согласно некоторым воплощениям изобретения, по меньшей мере, для части поверхностей частиц концентрация типов молекул, атомов или ионов на первой противоположной поверхности отличается от концентрации типов молекул, атомов или ионов на второй противоположной поверхности.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы образуют самоподдерживающуюся структуру.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы имеют форму порошка и содержатся в поддерживающей конструкции.

Согласно некоторым воплощениям изобретения результирующий заряд передается от одной стороны дисперсной структуры к противоположной ее стороне без приложения внешнего напряжения.

Согласно аспекту некоторых воплощений настоящего изобретения предлагается способ энергоснабжения систем, приводящихся в действие электричеством. Способ включает присоединение систем, приводимых в действие электричеством, к упомянутому электрическому генератору.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы являются непористыми. Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы являются пористыми. Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы являются набухающими. Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы являются не набухающими. Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы имеют покрытие. Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы не имеют покрытия.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы имеют среднюю толщину менее чем 1 мкм.

Согласно некоторым воплощениям изобретения наибольший размер частицы составляет менее чем 1 миллиметр.

Согласно некоторым воплощениям изобретения пустоты между частицами сохраняются с помощью прокладок.

Согласно некоторым воплощениям изобретения пустоты между частицами сохраняются с помощью выступающих наружу неровностей.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы в основном пластинчато-подобные.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы в основном распределены таким образом, что имеют единообразную ориентацию.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы выполнены из материала, выбранного из группы, содержащей: металлы; полуметаллы; сплавы истинные или легированные, неорганические или органические; полупроводники; диэлектрические материалы; истинные или легированные полимеры; проводящие полимеры; слоистые материалы; керамические материалы; оксиды; оксиды металлов; соли; краун-эфиры; органические молекулы; четвертичные аммониевые соединения; керметы; стекло и кремниевые соединения; и любую их комбинацию.

Согласно некоторым воплощениям изобретения частицы выполнены из материала, выбранного из группы, содержащей: стекло, вермикулит, расщепленный вермикулит, вспученный вермикулит, перлит, флогопитовую слюду, графен, графит, оксид графита, восстановленный оксид графита, алюминий и алюминий, покрытый диоксидом кремния.

Согласно некоторым воплощениям изобретения структура заключена в герметичную оболочку, сконструированную таким образом, чтобы содержать совместимую газовую среду.

Согласно некоторым воплощениям изобретения газовая среда выбрана из группы, содержащей: воздух, аргон, хлор, диэтиламин, гелий, хлороводород, криптон, метан, неон, азот, диоксид азота, трифторид азота, октафторпропан, диоксид серы, гексафторид серы, сульфурилфторид, тетрафторметан, водяной пар, ксенон, и их комбинации.

До тех пор, пока не определено иначе, все технические и/или научные термины, используемые в настоящей заявке, имеют тоже значение, что понимается под ними средним специалистом в той области, к которой относится настоящее изобретение. Типичные способы и/или материалы для осуществления воплощений настоящего изобретения описаны ниже, хотя могут быть использованы способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным в настоящей заявке. В дополнение, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Некоторые воплощения изобретения описаны в настоящей заявке только в виде примера со ссылкой на сопровождающие чертежи и рисунки. Здесь конкретными ссылками на чертежи подробно подчеркивается, что конкретно показано с помощью примеров для целей иллюстративного обсуждения раскрытых воплощений изобретения. В этой связи описание, рассматриваемое совместно с чертежами, делает очевидным для специалиста в данной области, как могут быть осуществлены на практике воплощения настоящего изобретения. На чертежах:

На Фиг.1 схематично изображена ячейка для генерирования электрической энергии в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.2А-2Е схематично изображены устройства, содержащие дисперсную структуру в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Фиг.3А представляет собой блок-схему способа изготовления дисперсной структуры в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.3В-3С схематично изображены способы модификации поверхности в присутствии электрического поля в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой блок-схему способа изготовления дисперсной структуры из суспензии в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

Фиг.5 представляет собой блок-схему способа изготовления дисперсной структуры из порошка в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.6А-6С схематично изображены способы, приемлемые для запрессовывания порошка в поддерживающее устройство в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.7 схематично изображена экспериментальная установка, используемая для измерения тока, генерируемого дисперсной структурой в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.8 показан ток в виде функции от времени, измеренный при нескольких температурах в процессе эксперимента, осуществленного в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.9 показан ток в виде функции от температуры, измеренный для нескольких структур, активированных различными способами в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.10 показан ток в виде функции от напряжения разомкнутой цепи, измеренный при различных температурах для различных структур в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

На Фиг.11 показан ток в виде функции от времени, измеренный в процессе эксперимента, осуществленного в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, для двух положений структуры.

На Фиг.12А-12I показаны микрофотоснимки поперечных разрезов и видов сверху дисперсных структур, изготовленных в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в некоторых его воплощениях относится к преобразованию энергии, а более конкретно, но не исключительно, к дисперсной структуре, устройству и способу для генерирования электрической энергии. Некоторые воплощения относятся к способу, пригодному для изготовления дисперсной структуры, которая может быть заключена в устройство для генерирования электрической энергии.

Должно быть понятно, что изобретение в этой заявке необязательно ограничивать подробностями конструкции и расположением компонентов, и/или способами, изложенными в последующем описании и/или показанными на чертежах, и/или в примерах. Изобретение может иметь другие воплощения, или может быть выполнено практически или осуществлено различными путями. Кроме того, хотя авторы настоящего изобретения уверены в том, что теоретические объяснения, приведенные для осуществления различных воплощений, верны, описанные и заявленные устройства и способы не зависят от описанной теории. Различные воплощения необязательно взаимоисключающие, поскольку некоторые воплощения могут быть скомбинированы с одним или более другими воплощениями для создания новых воплощений. Для ясности, конкретные элементы в некоторых чертежах изображены без соблюдения масштаба. Чертежи не должны рассматриваться как описания проектных чертежей.

Теперь что касается чертежей. На Фиг.1 изображено ячеечное устройство 10 для генерирования электрической энергии в соответствии с различными типичными воплощениями настоящего изобретения. Ячеечное устройство 10 может быть заключено в дисперсную структуру (см. Фиг.2А-Е). Ячеечное устройство 10 включает пару расположенных на расстоянии друг от друга поверхностей 12 и 14 и может содержать совместимую газовую среду 16 между поверхностями 12 и 14. Пространство между поверхностями называется в настоящей заявке пустотой или зазором. Поверхности 12 и 14 являются частями подложек 32 и 34 соответственно или поддерживаются этими подложками. Молекулы газа 18 (также обозначенные римскими цифрами от I до VI) переносят заряд от первой поверхности 12 ко второй поверхности 14. Движение молекул газа вызывается их тепловой энергией и определяется температурой газа. Температура газа поддерживается тепловой энергией 22, подаваемой из теплового резервуара 20, как дополнительно подробно описывается здесь далее.

На схематическом изображении Фиг.1 в процессе взаимодействия с поверхностью 12 электрически нейтральная или заряженная молекула газа I получает по меньшей мере один отрицательный заряд от поверхности 12, давая в результате молекулу II, которая покидает поверхность 12 после взаимодействия с ней. Когда электрически заряженная или нейтральная молекула газа III подходит к поверхности 14 и вступает с ней во взаимодействие, поверхность 14 получает по меньшей мере один отрицательный заряд от молекулы, давая в результате молекулу IV, которая покидает поверхность 14 после взаимодействия с ней. Исходящая молекула II фактически является той же молекулой, что и входящая молекула I, за исключением ее заряда. Аналогично исходящая молекула IV фактически является той же молекулой, что и входящая молекула III, за исключением ее заряда. Когда молекула газа II пересекает зазор между поверхностями 12 и 14 и передает заряд между двумя поверхностями, цифрами II и III указана одна и та же молекула газа, включая заряд. Когда молекула IV пересекает зазор и передает заряд между двумя поверхностями, цифры IV и I могут указывать на одну и ту же молекулу газа, включая заряд.

Когда любые две нейтральные или заряженные молекулы газа V и VI сталкиваются в зазоре между двумя поверхностями, эти молекулы могут передавать электрический заряд между собой. Молекулы V и VI могут взаимодействовать с поверхностью 12 таким же образом, что и молекула газа I в ранее описанном процессе, или с поверхностью 14 таким же образом, что и молекула III. Молекулы, покидающие поверхность, также могут сталкиваться с дополнительными молекулами газа внутри зазора. Например, молекула II, покидающая поверхность 12 может не напрямую пересекать зазор к поверхности 14, сталкиваясь в промежутке с промежуточными молекулами газа как в процессе, описанном для молекул V и VI, которые в свою очередь передают отрицательный заряд поверхности 14.

Таким образом, первая поверхность служит в качестве поверхности донора электрического заряда, а вторая поверхность служит в качестве поверхности приемника электрического заряда. Может быть также обратная ситуация с первой поверхностью, служащей в качестве приемника электрического заряда, и второй поверхностью, служащей в качестве поверхности донора электрического заряда.

Использованный в настоящей заявке термин «совместимый газ» относится к газовой среде, имеющей молекулы, обеспечивающие передачу заряда между двумя поверхностями путем получения или потери заряда в процессе взаимодействия этих молекул с поверхностями.

Здесь и далее «молекула газа» включает и нейтральные молекулы газа, и ионы газа, имеющие отрицательный или положительный заряд.

Молекулы газа могут передавать результирующий отрицательный заряд от поверхности 12 к поверхности 14 напрямую или не напрямую, посредством взаимодействия между молекулами газа в зазоре между двумя поверхностями. В этом процессе передачи заряда поверхность 12 становится положительно заряженной, а поверхность 14 становится отрицательно заряженной. Таким образом, создается разность потенциалов между поверхностями. Эта разность потенциалов может быть использована путем подсоединения нагрузки 24 (например, с помощью электрических контактов 26) к поверхностям. Электрический ток i течет от поверхности 12 к поверхности 14 через нагрузку. Таким образом, изолированная ячейка 10 может производить электрический ток, а множество таких ячеек может быть заключено в структуру и, в конце концов, в устройство - источник энергии, которое подает электрический ток в цепь, электрические бытовые приборы или иную нагрузку.

Взаимодействие между молекулами и поверхностями может быть моментальным, например, посредством процесса упругого или неупругого соударения, или длительным, например, посредством процесса адсорбции-десорбции в соответствии с идеями, изложенными в международной заявке, опубликованной под № WO 2010/023669 A2, содержимое которой включается сюда путем ссылки.

Использованные здесь термины «процесс адсорбции-десорбции» или «процесс передачи заряда адсорбцией-десорбцией» означают процесс, в котором молекула вначале адсорбируется поверхностью в течение достаточно долгого времени так, что молекула теряет значительную часть своей кинетической энергии и в дальнейшем десорбируется с поверхности, и в котором результирующий заряд молекулы до адсорбции отличается от результирующего заряда молекулы после десорбции.

В некоторых процессах адсорбции-десорбции молекула и поверхность находятся в тепловом равновесии в течение временного интервала, во время которого молекула адсорбируется. Во время адсорбции электронная волновая функция поверхности включает в себя электронные волновые функции всех молекул на поверхности, включая те, которые были адсорбированы поверхностью. Обычно, но необязательно, адсорбированные молекулы находятся в крайнем наружном молекулярном слое поверхности.

Термин «моментальный процесс» между молекулой и поверхностью относится к процессу, в котором молекула газа находится достаточно близко к поверхности, чтобы обеспечить передачу заряда между поверхностью и молекулой, и в котором время процесса достаточно коротко, в отличие от времени, требуемого для достижения теплового равновесия между молекулой и поверхностью.

Одним из типов моментального процесса является соударение. Говорят, что молекула газа и твердая поверхность находятся в соударении, если есть, по меньшей мере, частичное пространственное перекрытие между электронной волновой функцией молекулы и электронной волновой функцией поверхности. Обычно молекула газа и поверхность рассматриваются пребывающими в соударении, когда расстоянием между центром молекулы газа и центром крайнего наружного атома твердой поверхности составляет менее чем 10 Ангстремов или альтернативно менее чем 5 Ангстремов (в зависимости от конкретных материала поверхности и газа, используемых для выполнения ячейки).

Соударение называют «упругим», если кинетическая энергия до соударения равна кинетической энергии после соударения, и «неупругим», если кинетическая энергия до соударения больше, чем кинетическая энергия после соударения. Соударение между молекулами и поверхностью может быть упругим или неупругим.

При любом вышеизложенном варианте развития событий специалист в данной области поймет, что в процессе поверхность 12 станет положительно заряженной, а поверхность 14 - отрицательно заряженной, как показано на Фиг.1. Таким образом, в соответствии с некоторыми предпочтительными воплощениями настоящего изобретения, молекулы газа служат посредниками передачи отрицательного заряда от поверхности 12 к поверхности 14 и/или передачи положительного заряда от поверхности 14 к поверхности 12.

В различных типичных воплощениях изобретения передача заряда от поверхности 12 к молекулам и от молекул к поверхности 14 обеспечивается передачей электронов. Таким образом, в этих воплощениях молекулы получают электроны от поверхности 12 и передают электроны поверхности 14.

В различных типичных воплощениях изобретения, кинетическая энергия молекул газа обуславливается только температурой газа. В этих воплощениях не требуется никакого дополнительного устройства (такого как внешний источник напряжения) для поддержания движения молекул газа, полностью обуславливаемого тепловой энергией. Более того, в процессе взаимодействий газа с рабочими поверхностями, в отличие от топливных ячеек, такие взаимодействия не приводят к необратимым химическим реакциям и газ не расходуется в процессе.

Когда ячеечное устройство достигает установившегося состояния, количество заряда, проходящее через нагрузку, приблизительно равно количеству заряда, предаваемому соответствующей поверхности молекулами газа, и для данной нагрузки и температуры разность потенциалов между поверхностями является приблизительно постоянной. Небольшие разницы температур между поверхностями, даже если они присутствуют, не играют значимой роли в механизме передачи заряда, описанном выше. Присутствие разницы температур, однако, необязательно исключается в соответствии со всеми воплощениями.

Присутствие заряда на поверхностях 12 и 14 создает электрический потенциал, который ставит барьер для молекул, передающих заряд от одной поверхности к другой. Это проявляется в виде сил притяжения, действующих со стороны поверхности 12 или 14 на противоположно заряженные молекулы, и в виде сил отталкивания на также заряженные молекулы, поскольку они отталкиваются от соответствующих им по заряду поверхностей.

В термически изолированных условиях передача зарядов молекулами, отскакивающими от поверхностей (и, тем самым, преодолевающими потенциальный барьер), будет непрерывно снижать среднюю кинетическую энергию молекул газа, охлаждая в результате газовую среду до температуры, при которой кинетическая энергия молекул газа больше не будет позволять преодолевать потенциальный барьер. Однако поскольку устройство 10 находится в термической связи с тепловым резервуаром 20, тепловая энергия 22 непрерывно подается к газовой среде, таким образом восполняя кинетическую энергию молекул газа. Тепловой резервуар 20 может, например, быть средой, в которой действует устройство 10 (например, естественной средой), и тепловая энергия может подводиться к устройству 10 с помощью теплопроводности, конвекции и/или излучения, и, в свою очередь, передаваться газовой среде.

Как только разность потенциалов между поверхностями достигает установившегося состояния, передача заряда может быть подавлена электрическим полем, которое создалось после накопления заряда на поверхностях. Когда ячеечное устройство 10 подсоединено к нагрузке 24, накопленные заряды проводятся от поверхностей через нагрузку, тем самым позволяя процессу передачи зарядов продолжаться. В результате электрический ток, протекающий через нагрузку, нагревает или совершает другую полезную работу на нагрузке. Таким образом, по меньшей мере, часть тепловой энергии, переданной от резервуара 20 газовой среде 16, используется нагрузкой 24 для выполнения полезной работы.

Направление, в котором молекулы покидают поверхность, зависит от многих параметров, таких как вектор скорости (т.е. скорость и направление) молекулы подходящей к поверхности и тип взаимодействия между молекулой и поверхностью (например, число, расположение и ориентация атомов поверхности, участвующих в столкновении). Как только молекула газа покидает поверхность в конкретном направлении, она проходит определенное расстояние до тех пор, пока не сталкивается с поверхностью или другой молекулой газа и не меняет направление. Среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями молекулы газа называется средним свободным пробегом и обозначается греческой буквой X. Значение X зависит от диаметра молекулы, давления газа и температуры. В различных типичных воплощениях изобретения для данных давления и состава газа зазор d между поверхностями достаточно мал для того, чтобы ограничить число межмолекулярных столкновений. Эта конфигурация повышает возможность того, чтобы молекулы, обладающие достаточной энергией, успешно пересекли зазор без столкновения с другими молекулами газа.

Помимо снижения числа межмолекулярных столкновений, достаточно малый зазор также снижает потенциальный барьер зеркального заряда, образованный взаимодействием между заряженными молекулами и поверхностями, как описано в международной заявке, опубликованной под № WO 2010/023669 A2, содержимое которой включается сюда путем ссылки.

Предпочтительно зазор d между поверхностями 12 и 14 имеет порядок среднего свободного пробега молекул газа при рабочих температуре и давлении устройства 10. Например, d может быть меньше 10 кратного среднего свободного пробега, более предпочтительно меньше 5 кратного среднего свободного пробега, более предпочтительно меньше 2 кратного свободного пробега. Например, d может быть приблизительно равным среднему свободному пробегу или меньше его. Обычное значение зазора d между поверхностями 12 и 14 менее чем или около 1000 нм, более предпочтительно менее чем около 100 нм, более предпочтительно менее чем 10 нм, более предпочтительно менее чем или около 2 нм.

Раздел между поверхностями 12 и 14 может поддерживаться более чем одним способом. В некоторых воплощениях настоящего изобретения для подержания раздела между поверхностями помещается одна или более непроводящая прокладка 28. Прокладка «непроводящая» в том смысле, что она предотвращает существенное перетекание зарядов от одной поверхности к в основном обращенной к ней поверхности, таким образом позволяя существовать электрическому потенциалу в зазоре. Размер прокладки 28 выбирают в соответствии с размером d зазора. Предпочтительно габариты прокладки составляют желаемое разделение. Прокладка, например, может быть наноконструкцией любой формы. Поперечное сечение прокладок в плоскости в основном параллельной поверхностям предпочтительно в среднем существенно меньше или меньше (например, менее чем 10% или менее чем 20%) площади поверхностей 12 и 14, настолько, чтобы обеспечить достаточно эффективную открытость одной поверхности другой.

В некоторых воплощениях на