ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИАНИЛИНА

Полезная модель относится к области энергетики, в частности, к средствам преобразования химической энергию в электрическую с помощью газовой или жидкостной реакции в присутствии электролита, электродов и катализатора, и может быть использована в качестве источника электроэнергии, например, для выработки электрической энергии в труднодоступных местах.
Известно, что топливные элементы имеют разные конструкции, в зависимости от химических и физических свойств газа или жидкости, которая используется в качестве топлива.
Так из уровня техники известен топливный элемент с использованием жидкого или газообразного топлива, например, пара и водный, твердый или плавленый электролит, снабженный электродами из нестехиометрического соединения. Топливный электрод имеет избыток электроотрицательного составляющего, а кислородный или галогенный электрод - избыток электроположительной составляющей. Топливный элемент содержит ячейку, в которой жидкое или газообразное топливо подается через трубу к пористому электроду, из которых по меньшей мере, поверхность имеет нестехиометрический материал, например, черный оксид никеля, оксид железа, оксид меди, или оксид кобальта, титана или урана. Нестехиометрические сульфиды хрома, железа или сульфида также могут быть использованы. Часть электрода может состоять из пористого спеченного никеля. Воздух, кислород или галоген, подается через трубу к электроду на поверхность, которая может состоять из нестехиометрического оксида цинка или оксида кадмия, частицы, которых могут быть покрыты серебром. Торий или серебро также могут быть использованы. Пористые части поверхности могут быть меньше, чем другие пористые части, чтобы уменьшить проникновение электролита. Электроды из оксида никеля и оксида цинка могут быть использованы с электролитом оксида магния, растворенного во фторидах (GB 877410, 13.09.1961).
В патенте GB 874283, 02.08.1961 г., описан микропористый электрод топливного элемента, имеющий в своей основе непластичный поливинилхлорид. Типичный исследованный поливинилхлорид имел толщину 0,76 мм и очень однородные поры размером 5 микрон. Поверхности были металлизированы вакуумным испарением серебра или золота. Слой катализатора наносили электроосаждением или введением в связывающий материал. Были созданы элементы мощностью до 5 кВт, работающие на смеси водорода и воздуха, но из-за использования поливинилхлорида их применение ограничивалось температурой 6S°C. Было показано, что пористые полиэтиленовые подложки могут быть использованы при температурах до 80°c.
Нашла применение концепция закрепления хрупких электродов волоконной матрицей. Компания Siemens применяла пористый слой порошка, внедренного в асбестовую мембрану. Асбестовая мембрана обеспечивала механическое закрепление порошкообразного электрода.
Для формирования электродов на подложку из викорового стекла с протравленными порами напыляли танталовые и платиновые пленки. Электроды образовывали топливный элемент с высоким коэффициентом использования катализатора. Дальнейшее исследование показало, что подложки из викорового стекла непрактичны и что в контексте применения топливного элемента в космосе пористые металлические электроды не имеют преимущества в процессе напыления или осаждения катализатора.
Известен топливный элемент с мембраной, армированной волокном (RU 2146406, 10.03.2000). Согласно изобретению, топливный элемент содержит армированную волокном пористую центральную мембрану и две пористые наружные мембраны. С использованием различных технологий, таких как ионная или фотонная бомбардировка, травление и вакуумное осаждение, на обе стороны центральной мембраны наносят тонкие пленки из материалов катализатора и металлических электродов. Для сложных топлив осаждают два катализатора. Первый катализатор формирует внутренний электрод, содержащий поверхностную реплику. Второй катализатор расположен на внутренних поверхностях пор, чтобы захватывать водород прежде, чем он диффундирует из электрода и электролита. Гидрофобную пленку осаждают поверх электродных пленок, чтобы контролировать положение электролита и увеличить прочность электродов. Активную площадь поверхности катализатора увеличивают до максимума отделением пленки катализатора от пористой диэлектрической подложки и заполнением полостей между подложкой и пленкой катализатора электролитом. Монополярную батарею топливных элементов конструируют на центральной мембране с помощью такого геометрического размещения элементов на центральной мембране, чтобы обеспечить контакты через мембрану, поток воды через элемент, тонкие пленочные электроды и разрывы электродов. Топливный элемент можно также использовать в режиме электролизной ячейки для выделения из электролита газообразных реагентов.
Недостатком данного решения является низкий КПД и невозможность использования в качестве топлива, как газы, так и жидкости.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в создании топливного элемента с КПД до 90% и возможностью использования в качестве топлива, как газов, так и жидкостей, без изменения конструкции самого топливного элемента.
Указанный технический результат достигается в топливном элементе на основе модифицированного полианилина, работа которого основана на принципе окисления жидких и газообразных веществ, которые используются в качестве топлива и в процессе окисления вырабатывается электрическая энергия.
Топливный элемент содержит корпус, который одновременно является катодом (из меди, или титана, или нержавеющей стали, или алюминия) и по центру которого расположен анод, выполненный в виде трубы, имеющей сквозные отверстия диаметром 0,3-0,7 мм, и расположенные друг от друга с шагом 7 мм, как по горизонтали, так и по вертикали, и на которую методом потенциостатического циклирования наносится на внешнюю и внутреннюю стороны слой модифицированного проводящего полианилина, и соединенный с одной стороны с трубкой для подачи жидкого или газообразного топлива или воздуха, а с другой - со сбросной трубкой для непрореагировавшего топлива, при этом дополнительно с одной стороны в корпусе размещают трубку для подачи воздуха, а с противоположной стороны - трубку для подачи воздуха или жидкого топлива в зависимости от режима работы топливного элемента, причем для смены жидкого непрореагировавшего топлива в корпусе установлена сливная труба, между корпусом и металлическими частями анода установлены токосъемы.
Анод может быть выполнен из диэлектрического материала, на который с двух сторон, внутренней и внешней, напылен слой металла: или хром, или золото, или платина, или из никеля, или нержавеющей стали, или свинца, или графита.
6
2
18
62
Дополнительно, в случае использования в качестве топлива газов восстановителей - окиси углерода или водорода, или их смеси, в корпус заливают электролит, представляющий собой 0,5-1,0 молярный водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H[PWO] и который, для лучшего протекания процесса окисления газов, насыщают кислородом путем подачи воздуха через трубку для подачи воздуха и/или трубку для подачи воздуха или жидкого топлива.
Дополнительно, в случае использования жидкого топлива в корпус запивают водный раствор этанола, метанола или аммиака.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид топливного элемента на основе модифицированного полианилина; на фиг. 2 - разрез A-A по фиг. 1.
Корпус 1 топливного элемента одновременно является катодом, который в свою очередь может быть выполнен из меди, титана, нержавеющей стали, алюминия. Анод может быть выполнен в виде трубы электрода 2 и может быть выполнен как из диэлектрического материала, на который с двух сторон (внутренней и внешней) напылен слой металла (хром, золото, платина), или может быть выполнен из трубы, материалом которой может являться никель, нержавеющая сталь, свинец, или графит.
Труба 2, являющаяся анодом, должна иметь сквозные отверстия диаметром 0,3-0,7 мм, расположенные друг от друга с шагом 7 мм, как по горизонтали, так и по вертикали.
На трубу 2, являющуюся анодом, методом потенциостатического циклирования наносится слой модифицированного проводящего полианилина 3.
Это осуществляется следующим образом.
6
2
18
62
В гальваническую ванну наливают раствор, состоящий из 1,0 молярного раствора соляной кислоты, 0,2 молярного раствора анилина и 0,1 молярного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда (ГПК), имеющей химическую формулу H[PWO]. Затем в данный раствор опускают электроды, один графитовый или платиновый, другим электродом является труба 2. Далее при потенциалах от 4,1 до 3,0 и от 1,8 до минус 1,8 В относительно платинового или графитового электрода на рабочем электроде, который является трубой 2, синтезируется модифицированная анионным комплексом ГПК пленка полианилина 3. Пленка полианилина 3 одновременно наносится как на внешнюю (наружную) поверхность трубы 2, так и на внутреннюю.
После нанесения пленки модифицированного полианилина трубу 2 высушивают и помещают в центр корпуса 1. Далее к электроду в трубе 2 подсоединяют трубку для подачи жидкого или газообразного топлива или воздуха 4. Также подключают сборную трубку 5 для непрореагировавшего топлива, как показано на фиг. 1.
Дополнительно в корпусе 1 размещают трубку для подачи воздуха 6 с целью обогащения электролита кислородом воздуха. С противоположной стороны размещают аналогичную трубку 7 для подачи воздуха или жидкого топлива, рассчитанную не только для подачи воздуха, но и для подачи жидкого топлива в зависимости от режима работы топливного элемента.
Для смены жидкого непрореагировавшего топлива в верхней части топлива устанавливают сливную трубу 8. Между корпусом 1 и металлическими частями трубы 2 устанавливают токосъемы 9.
6
2
18
62
В случае использования в качестве топлива газов восстановителей - окиси углерода или водорода, или их смеси, в корпус 1 заливают электролит 10, который представляет собой 0,5-1,0 молярный водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда имеющий химическую формулу H[PWO].
Газы-восстановители подаются через трубку 4, которая присоединена к трубе 2. При прохождении газовосстановителей через трубу 2 на модифицированном полианилине 3 происходит окисление газов, в результате чего возникает разность потенциалов между трубой 2 и корпусом 1. При подключении электрической нагрузки, токосъемов 9, между трубой 2 и корпусом 1 возникает ЭДС. Для лучшего протекания процесса окисления газов электролит 10 насыщают кислородом путем подачи воздуха через трубки 6 и 7. Остатки непрореагировавшего газа и часть продуктов окисления, состоящих из углекислого газа и паров воды, отводятся через сбросную трубку 5.
При использовании в патентуемом топливном элементе жидкого топлива в виде водного раствора этанола, метанола или аммиака, перечисленные растворы заливают вместо электролита 10.
Растворы подаются через трубку 7. В случае, когда в качестве топлива используется жидкость, воздух подают по трубке 4, которая в свою очередь соединена с трубой 2. Далее воздух сбрасывается через сборную трубу 5.
Как и в случае с газами, на модифицированном проводящем полианилине 3 происходит окисление этанола, метанола или аммиака с возникновение ЭДС при электрической нагрузке, токосъемов 9, между корпусом 1 и трубой 2. Непрореагировавшее топливо и растворенные продукты реакции отводятся через сливную трубу 8.
Пример 1. Использование водорода в качестве топлива для патентуемого топливного элемента.
Собрали топливный элемент, как показано на фиг. 1. Корпус 1 топливного элемента был выполнен из меди. Корпус 1 является одновременно и катодом. Анод был выполнен в виде трубы электрода 2 из фторопластовой трубки, на которую с двух сторон, внутреннюю и внешнюю, был напылен слой хрома. В стенках трубы 2 сделаны сквозные отверстия диаметром 0,3 мм, расположенные друг от друга с шагом 7 мм, как по горизонтали, так и по вертикали. Габаритные размеры изделия составили 70×40×25 мм.
На трубу 2, являющуюся анодом, методом потенциостатического циклирования нанесли слой модифицированного проводящего полианилина 3. Данный процесс осуществляли следующим образом.
6
2
18
62
6
2
18
62
В гальваническую ванну налили раствор, состоящий из 1,0 молярного раствора соляной кислоты, 0,2 молярного раствора анилина и 0,1 молярного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H[PWO]. Затем в подготовленный раствор опустили два электрода. Один графитовый, а другой - труба 2. Далее при потенциалах от 4,1 до 3,0 и от 1,8 до минус 1,8 В относительно графитового электрода на рабочем электроде, которым является труба 2, синтезировали пленку полианилина 3, модифицированную анионным комплексом ГПК H[PWO]. Пленка одновременно образовалась как на наружной поверхности трубы 2, так и на внутренней.
6
2
18
62
После нанесения пленки модифицированного проводящего полианилина 3 трубу 2 высушили и поместили в центр корпуса 1. Далее к электроду в трубе 2 подсоединили трубку для подачи газообразного водорода 4. Также подключили сбросную трубку 5. Дополнительно в корпусе 1 поместили трубку для подачи воздуха 6 с целью обогащения электролита кислородом воздуха. С противоположной стороны поместили аналогичную трубку 7 для подачи воздуха. В корпус 1 залили электролит 10, который представлял собой 0,7 - молярный водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H[PWO].
Между корпусом 1 и металлическими частями трубы 2 установили токосъемы 9, к которым в качестве электрической нагрузки подключили резистор номиналом 30 Ом.
Параллельно к резистору был подключен вольтметр, после чего к трубке 4 был подключен источник водорода.
Для лучшего протекания процесса окисления водорода электролит 10 насыщали кислородом воздуха путем его прокачки через трубки 6 и 7.
Через трубку 4 в течение 1 мин. пропустили 100 мл 100% водорода при н.у, При этом показания вольтметра составили 12,7 В, сопротивление нагрузки 10 Ом.
Удельная теплота сгорания водорода
Q<sub>H2</sub>=120,9 Мдж/кг
Плотность водорода при н.у.
p<sub>H2</sub>=0,0000899 г/см<sup>3</sup>
Масса водорода в 100 см<sup>3</sup>
m<sub>H2</sub>=V<sub>H2</sub>×p<sub>H2</sub>=0,00899 г
3
Теплота сгорания 100 см водорода (при 100% КПД)
Электрическая мощность, развиваемая топливным элементом:
2
2
W=U/R=12,7/10=16,2 Вт
За 1 минуту выработано электроэнергии:
Q=W*60 с=1086 Вт*с (Дж)=0,270 Вт*час,
Что составляет 90,2% эффективности.
Вывод. Данный пример показывает эффективность преобразования реакции окисления водорода кислородом воздуха 90,2%.
Пример 2. Использование этанола в качестве топлива для патентуемого топливного элемента.
Собрали топливный элемент, как показано на фиг. 1. Корпус 1 топливного элемента был выполнен из нержавеющей стали. Корпус 1 является одновременно и катодом. Анод был выполнен в виде трубы электрода 2 из листового свинца.
В стенках трубы 2 сделаны сквозные отверстия диаметром 0,4 мм, расположенные друг от друга с шагом 7 мм, как по горизонтали, так и по вертикали. Габаритные размеры изделия составили 70×40×25 мм.
На трубу 2, являющуюся анодом, методом потенциостатического циклирования нанесли слой модифицированного проводящего полианилина 3.
Процесс осуществляли следующим образом.
6
2
18
62
6
2
18
62
В гальваническую ванну налили раствор, состоящий из 1,0 молярного раствора соляной кислоты, 0,2 молярного раствора анилина и 0,1 молярного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H[PWO]. Затем в подготовленный раствор опустили два электрода. Один графитовый, а другим электродом являлась труба 2. Далее при потенциалах от 4,1 до 3,0 и от 1,8 до минус 1,8 В относительно графитового электрода на рабочем электроде, которым являлась труба 2, синтезировали пленку полианилина 3, модифицированную анионным комплексом ГПК H[PWO]. Пленка одновременно образовалась как на внешней поверхности трубы 2, так и на внутренней.
После нанесения пленки модифицированного проводящего полианилина 3 трубу 2 высушили и поместили в центр корпуса 1. Далее к электроду в трубе 2 подсоединили трубку для подачи воздуха 4. Также подключили сбросную трубку 5.
Между корпусом 1 и металлическими частями трубы 2 установили токосъемы 9, к которым в качестве электрической нагрузки подключили резистор номиналом 20 Ом. Параллельно к резистору был подключен вольтметр, далее через трубку 4 подали воздух, который в свою очередь стал поступать внутрь трубы 2 и сбрасываться через сбросную трубу 5. Затем через трубку 7 начали подавать этанол. На модифицированной пленке полианилина 3 начался процесс окисления, в ходе которого возникла ЭДС. Непрореагировавшее топливо и растворенные продукты реакции отводились через сливную трубу 8.
3
В емкость корпуса 1 через трубу подачи жидкого топлива 7 в течении 120 минут медленно подавали 96% этанол, при этом прореагировавший этанол сливался через сливную трубу 8. Причем показания вольтметра составили 54,1 В, сопротивление нагрузки 10 Ом. Расход этанола составил 100 см массой 78,9 г.
Электрическая мощность, развиваемая топливным элементом:
2
2
W=U/R=54,1/10=296,25 Вт
За 120 минут выработано электроэнергии:
Q=W*7200 с=296,25 Вт*7200 с=213300 Вт*с (Дж)=592,5 Вт*час.
Что составляет 89,7% эффективности.
Удельная теплота сгорания этанола
Q<sub>этанола</sub>=30 МДж/кг
Плотность 96% этанола при н.у.
p<sub>этанола</sub>=0,789 г/см<sup>3</sup>
Масса 100 см<sup>3</sup> 96% этанола
m<sub>этанола</sub>=p<sub>этанола</sub>*V=78,9 г
3
Теплота сгорания 100 см этанола (при 100% КПД)
Выводы. В примерах 1 и 2 было доказано применение патентуемого топливного элемента в качестве источника электрической энергии с 90% КПД и возможностью использования в качестве топлива как газообразных, так жидких веществ.