ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Топливный элемент относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха или чистым кислородом в электрическую энергию. Для обеспечения достаточной мощности он обычно используется в составе батарей топливных элементов
Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и топливные элементы, является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий коэффициент полезного действия, который теоретически может достигать 100%, однако эффективность преобразования энергии в топливном элементе зависит от многих факторов, и в том числе в значительной мере от использованных материалов. Существующие батареи твердополимерных топливных элементов имеют очень низкую эффективность работы при низких влажностях окружающей среды в связи с низкой проводимостью протонобменной мембраны. Поэтому важной задачей является повышение эффективности работы таких топливных элементов в условиях низкой влажности.
Известна батарея топливных элементов (RU 2387053, МПК H01M 8/10, H01M 8/24, опубликован 20.04.2010), включающая два топливных элемента, каждый из которых включает анодный электрод с анодным газодиффузионным слоем и катализатором, катодный электрод с катодным газодиффузионным слоем и катализатором, а также твердый полимерный электролит, расположенный между катодным и анодным диффузионными слоями.
2
2
Недостатком является то, что в качестве топлива применяют 30% водный раствор метанола, что, в сочетании с относительно низкой ионной проводимостью твердого полимерного электролита, обеспечивает плотность генерируемого тока единичного топливного элемента лишь до 5 мА/см при разности потенциалов 1,5 В, а значит, удельную мощность менее 75 мВт/см.
Очевидно, что недостатком является также необходимость увлажнения топлива для питания топливных элементов для снижения электрического сопротивления.
Известен топливный элемент (US 20120034542, МПК Н01М 8/00), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Данный топливный элемент включает мембранно-электродный блок, содержащий протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем, содержащим катализатор и катодным газодиффузионным слоем, содержащим катализатор, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродного блока, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродного блока и токовые выводы. В качестве протонпроводящей мембраны в указанном патенте предлагается использовать мембрану Nafion или мембрану МФ-4СК.
К недостаткам относится то, что сопротивление таких мембран очень чувствительно к изменению влажности окружающей среды. Для работы топливного элемента при влажности менее 50% отн. необходимо использовать существенно увлажненные водород и воздух для питания топливных элементов. Кроме того, необходимо предотвращать топливный элемент от колебаний температуры, которые могут привести к конденсации влаги, «затоплению» и выходу из строя топливного элемента. Это приводит к существенному усложнению конструкции энергоустановок на основе топливных элементов, и, в связи с этим, снижению надежности.
2
-3
Настоящая полезная модель направлена на разработку твердополимерного топливного элемента, имеющего удельную мощность не менее 100 мВт/см без дополнительного увлажнения питающих газов, за счет использования мембраны с ионной проводимостью не менее 10 См/см (Сименс на сантиметр) при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.
-3
Технический результат достигается тем, что предложен твердополимерный топливный элемент, состоящий из мембранно-электродного блока, анода, катода и средства для герметизации, в котором: мембранно-электродный блок содержит протонпроводящую мембрану с нанесенным на ее поверхность с двух сторон катализатором и расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем; анод и катод, расположенные с внешней стороны мембранно-электродного блока, выполнены в виде электропроводящих пластин с газораспределительными каналами, токовыми выводами и окнами для подвода и отвода водорода в качестве анодного газа и кислорода или воздуха в качестве катодного газа; средства для герметизации представляют собой упругие прокладки, расположенные с внешних сторон анода и катода, и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам электропроводящих пластин, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют перефирийные отверстия для их герметизации путем стяжки; отличающийся тем, что в его составе использована протонпроводящая мембрана, полученная допированием сульфокатионитных перфторированных мембран неорганическими допантами и имеющая ионную проводимость не менее 10 См/см при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.
Целесообразно, чтобы анодный и катодный газодиффузионные слои были выполнены из пористой углеродной бумаги.
Целесообразно также, чтобы электропроводящие газораспределительные пластины были выполнены либо из металла, либо из композиционного графит-содержащего материала.
Желательно, чтобы подвод водорода в качестве анодного газа осуществлялся из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона.
Возможно, чтобы подвод и отвод кислорода или воздуха в качестве катодного газа осуществлялся за счет управляемых вентиляторов, либо производился в конвекционном режиме.
Важно, чтобы в составе батареи из отдельных топливных элементов, направленных друг к другу анодом к катоду, средствами для их герметизации в виде упругих прокладок и токовыми выводами с электропроводящих пластин были снабжены только крайние топливные элементы батареи.
Технический результат достигается также тем, что для допирования сульфокатионитной перфторированной протонпроводящей мембраны использовали модифицированный оксид кремния и/или соли гетерополикислот, синтезированных непосредственно в матрице мембраны.
-3
2
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в составе топливного элемента используется протонпроводящая мембрана, имеющая ионную проводимость не менее 10 См/см при пониженной влажности питающих газов от 5% отн. и выше, что позволяет обеспечить удельную мощность топливного элемента не менее 100 мВт/см, при этом не требуется дополнительного увлажнения газов. Указанная мембрана может быть получена из сульфокатионитной перфторированной протонпроводящей мембраны ее допированием неорганическими допантами, например модифицированным оксидом кремния и/или солями гетерополикислот, синтезированными непосредственно в матрице мембраны.
2
Модификацию мембраны Nafion 212 проводили методом in situ - введением допанта в матрицу готовой пленки. Для введения частиц гидратированного оксида кремния образец помещали в спиртовой раствор тетраэтоксисилана и обрабатывали водным раствором аммиака. Далее мембрану Nafion 212 + SiO последовательно обрабатывали раствором гетерополикислоты и карбоната цезия.
Технический результат может быть реализован в топливных элементах любой конструкции, например, указанной в прототипе или в топливных элементах и батареях топливных элементов имеющих «классическую» конструкцию. Отличие заключается в том, что мембранно-электродный блок заявленного элемента содержит протонпроводящую мембрану, имеющую высокую ионную проводимость при низкой влажности. В зависимости от условий применения и требуемых параметров топливного элемента, электропроводящие пластины с газораспределительными каналами могут быть выполнены из металлов и их сплавов с использованием различных покрытий на их поверхности для повышения стойкости к коррозии и снижения переходных сопротивлений. При больших мощностях топливного элемента, требующих его охлаждения, внутри электропроводящих пластин могут располагаться дополнительные каналы для теплоносителя. Таким образом, использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, дает возможность создавать батарей топливных элементов высокой, до сотен киловатт, мощности.
Наиболее перспективно использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, в топливных элементах и батареях топливных элементов с подводом воздуха конвекционным способом или от воздушного вентилятора и питанием водородом от баллона высокого давления или металло-гидридной системы.
Полезная модель проиллюстрирована Фиг. 1, на которой представлена принципиальная схема твердополимерного топливного элемента (средства для герметизации не показаны) и Фиг. 2, на которой представлена схема соединения двух топливных элементов в батарею, где
1 - протонпроводящая мембрана;
2 - анодный и катодный катализатор;
3 - анодный газодиффузионный слой;
4 - катодный газодиффузионный слой;
5 - анод;
6 - катод;
7 - мембранно-электродный блок, состоящий из 1, 2, 3 и 4;
8 - окна для подвода и отвода газов;
9 - газораспределительные каналы анода и катода;
10 - средство для герметизации;
11 - периферийные отверстия для стяжки составных частей топливного элемента.
Заявляемый в качестве полезной модели топливный элемент работает следующим образом: через штуцер упругой прокладки средства для герметизации 11 и окна для подвода газов 8 анода 5 топливного элемента через газораспределительные каналы 9 на анодный газодиффузионный слой 3 мембранно-электродного блока 7 подается газообразный водород из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона, на катализаторе 2 происходит реакция ионизации водорода, образовавшиеся при этом электроны переносятся через внешнюю электрическую цепь на катод 6 топливного элемента, а ионы водорода проходят через протонроводящую мембрану 1 в катодный газодиффузионный слой 4 мембранно-электродного блока 7, где на катализаторе 2 вступают в реакцию с кислородом, подающимся за счет управляемых вентиляторов, либо в конвекционном режиме на катодный газодиффузионный слой 4 аналогичным образом, т.е. через штуцер упругой прокладки средства для герметизации 10, окна для подвода газов 8 катода 6 и через соответствующие газораспределительные каналы 9. В результате реакции ионов водорода с кислородом в катодном газодиффузионном слое образуется вода, которая удаляется вместе с избытком воздуха через отводящие окна 8 катода 6. Вырабатываемая на топливном элементе разность потенциалов может быть использована для совершения полезной работы на устройстве, подсоединенном к внешней цепи.
С внешних сторон анода и катода расположены средства для герметизации топливного элемента 10, которые представляют собой упругие прокладки и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам 8 электропроводящих пластин 5 и 6, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют периферийные отверстия 11 для их герметизации путем стяжки;
На основе предложенных топливных элементов возможно изготовление батарей топливных элементов и энергоустановок различного типа, использующих для своей работы водород и воздух без дополнительного относительно обычных топливных элементов увлажнения. Такие энергоустановки можно использовать в необслуживаемых и малообслуживаемых системах и транспортных средствах различного типа, требующих минимизации массы энергоустановки за счет исключения систем увлажнения.
Таким образом, предлагаемое использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, дает возможность создания широкого спектра топливных элементов, батарей топливных элементов и энергоустановок на их основе, не требующих увлажнения рабочих газов, что существенно упрощает конструкцию систем, использующих такие топливные элементы, повышает их надежность, упрощает эксплуатацию и снижает эксплуатационные расходы.
Удовлетворение полезной модели критерию «промышленная применимость» подтверждается следующим примером.
Пример.
2
На анодный газодиффузионный слой топливного элемента через газораспределительные каналы электропроводящей пластины анода подавался газообразный водород влажностью 5% отн. из баллона высокого давления (150 атм), на катализаторе происходила реакция ионизации водорода, образовавшиеся при этом ионы водорода переносились через протонроводящую мембрану на катодный газодиффузионный слой, а электроны через внешнюю электрическую цепь собственно на катод топливного элемента. На катодный газодиффузионный слой топливного элемента через газораспределительные каналы электропроводящей пластины катода вентилятором подавался воздух влажностью 7% отн. На катализаторе со стороны катода ионы водорода соединялись с кислородом воздуха и электронами с образованием воды. Удельная мощность топливного элемента без дополнительного увлажнения питающих газов составила 127 мВт/см. Энергия электронов, переносившихся через внешнюю цепь была использована для электропитания портативных устройств и зарядки аккумуляторов.
2
Заявляемый в качестве полезной модели твердополимерный топливный элемент позволяет обеспечить удельную мощность топливного элемента не менее 100 мВт/см без дополнительного увлажнения газов.