МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОЛИМЕРНОЙ МЕМБРАНОЙ
MEMBRANE-ELECTRODE FUEL CELL BLOCK WITH POLYMER MEMBRANE

Изобретение относится к области энергетических установок на топливных элементах, а именно к батарее топливных элементов и ее главной составляющей - мембранно-электродному блоку (МЭБ) преимущественно низкотемпературных топливных элементов с органической газоплотной протонопроводящей полимерной мембраной (далее по тексту - мембрана).
Известно (см. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. - М: Энергоиздат, 1982), что МЭБ состоит из двух электродов (анода и катода) разделенных мембраной. На электродах, содержащих катализатор на основе платины, идут электрохимические реакции окисления топлива (на аноде) и восстановление окислителя (на катоде). В качестве топлива используется водород или его смеси с газами, не являющимися ядом для катализатора. Могут также использоваться жидкие виды топлива, такие как метанол, муравьиная кислота и др. В качестве окислителя используется кислород, либо чистый, либо в составе воздуха. Перенос к катоду образующихся на аноде положительных зарядов (протонов) реализуется через мембрану. Равный по величине перенос отрицательных зарядов (электронов) от анода к катоду идет через внешнюю цепь. В результате реакции получаем электрическую энергию, которая реализуется на полезной нагрузке.
Роль мембраны состоит в эффективном разделении электродов, исключающем как прямую реакцию реагентов (топлива и окислителя), так и прямой контакт электродов. Мембрана должна обладать:
- высокой протонной проводимостью;
- отсутствием электронной проводимости;
- газоплотностью (газонепроницаемостью);
- химической стабильностью;
- механической (усталостной) прочностью.
Без перечисленных качеств трудно ожидать хороших вольтамперных и ресурсных характеристик топливного элемента. Между тем из отечественных и зарубежных источников известны (см. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1991; Fuel Cell Handbook (Seventh Edition) U.S. Department of Energy, November 2004) конструкции топливных элементов, в которых мембрана не только выполняет отмеченную выше функцию, но и служит разделителем газовых сред и находится под воздействием перепада давлений топлива и окислителя, т.е. является несущей конструкцией МЭБ. При этом она должна противостоять перепадам давления реагентов, особенно опасным по периферии активной ее части в районе уплотнения. Чтобы обеспечить низкий уровень напряжений в мембране под воздействием перепада давлений реагентов мембрана должна быть толстой. Очевидно, что чем толще мембрана, тем более надежно и успешно она будет выполнять функции несущей конструкции МЭБ.
Также известно, что:
- чем тоньше мембрана, тем меньше внутреннее сопротивление МЭБ и, соответственно, лучше вольтамперные характеристика и коэффициент полезного действия топливного элемента;
- чем тоньше мембрана, тем она дешевле, причем практически пропорционально уменьшению толщины;
- чем тоньше мембрана, тем проще решается вопрос управления ее увлажнением, т.е. наиболее важный и сложный вопрос эксплуатации;
- чем тоньше мембрана, тем лучше она сохраняет целостность при периодических деформациях, связанных со степенью увлажнения, которая может сильно меняться в периоды вводов-выводов топливных элементов; в данном случае меньшая толщина мембраны приводит к меньшей абсолютной деформации мембраны и, соответственно, меньшим воздействующим на нее усилиям, если она заневолена уплотнительными деталями МЭБ.
Таким образом, использование дорогостоящей мембраны в качестве несущей конструкции МЭБ предопределяет выбор ее толщины, как правило, не менее 50 микрон (ограниченно 25 микрон с укрепляющей сеточкой), вместо, например, 2-10 микрон и соответственно:
- необоснованно завышена стоимость МЭБ за счет избыточной толщины дорогостоящей мембраны;
- существенно (в разы) сниженные удельные мощностные характеристики МЭБ и пропорционально завышенные стоимости из-за высоких внутренних потерь;
- эксплуатационные сложности, вызываемые трудным управлением влажностью толстой мембраны;
- посредственные ресурсные и надежностные показатели из-за сложности сохранять целостность мембраны при периодических деформациях, связанных со степенью ее увлажнения, которая может особенно сильно меняться в периоды начала и завершения эксплуатации топливных элементов.
С этой целью предлагается отказаться от использования мембраны в качестве несущей конструкции МЭБ и возложить эти функции на один или оба электрода, изготавливаемых из прочного углеграфитового материала и имеющих толщину около 200 микрон. Одновременно с этим предлагается отказаться от использования тонких полимерных, пленок в качестве самостоятельных элементов конструкции, а наносить их любым известным способом на поверхность одного или двух электродов с последующим их соединением (прессованием) друг с другом.
2
Известен аналог, принятый за прототип, конструкции топливных элементов с полимерной мембраной. Экспериментальный его образец с рабочей площадью 50 см описан ниже (см. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. - М: Энергоиздат, 1982, рис. 6.19, стр. 310).
Из конструкции фиг. 1 наглядно видно, что уплотнение МЭБ производится с помощью уплотнительных прокладок 3, которые с усилием прижимаются к мембране 1, являющейся несущим элементом МЭБ, образованным этой мембраной припрессованной к электродам 2.
Эта же конструкции изображена на фиг. 2 в более крупном масштабе.
На фиг. 1 и фиг. 2 обозначено:
1 - газоплотная протонопроводящая полимерная мембрана;
2 - электроды;
3 - уплотнительная прокладка.
Приведенная схема типовой конструкции МЭБ обладает следующими недостатками:
- периферийная часть мембраны 1 между уплотнительными прокладками 3 и электродами 2 находится под действием перепада давлений реагентов топлива и окислителя, который может циклически меняться в процессе работы МЭБ;
- для обеспечения прочности мембраны 1 она должна быть толстой, что увеличивает ее' стоимость и, соответственно, МЭБ.
Задачей изобретения является исключение изложенных выше недостатков, что позволяет снизить стоимость МЭБ и батареи топливных элементов (БТЭ) и увеличить их ресурсные и надежностные показатели.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в мембранно-электродном блоке топливных элементов с полимерной мембраной, состоящем из двух электродов из пористого углеграфитового материала, газоплотной протонопроводящей мембраны и нанесенных на электроды или мембрану катодного и анодного активных слоев, предусмотрены следующие отличия: в качестве несущей конструкции, воспринимающей перепады давления в газовых полостях, используются электроды, с нанесенными активными слоями на один или оба электрода, с заключенной между электродами мембраной, уплотненные по периферии мембранно-электродного блока.
Кроме того, пористые электроды за пределами активной зоны газонепроницаемы по всем поверхностям.
Кроме того, на мембрану за пределами активной зоны нанесена суспензия непротонопроводящего и не деформирующегося при увлажнении мембраны органического вещества.
Кроме того, мембрана может формироваться нанесением суспензии мономера любым известным способом на поверхность одного или обоих электродов с последующим их соединением друг с другом.
Кроме того, мембрана может быть выполнена многослойной с использованием суспензии различных иономеров.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 3 представлен мембранно-электродный блок топливного элемента с мембраной фиг. 3 где:
1 - газоплотная протонопроводящая полимерная мембрана;
2 - электроды;
3 - уплотнительная прокладка;
4 - активный слой (анодный и катодный);
5 - специально обработанная газоплотная торцевая часть газодиффузионного слоя.
Мембранно-электродный блок топливного элемента с полимерной мембраной состоит из газоплотной полимерной протонопроводящей мембраны 1, заключенной (припрессованной) между катодным и анодным электродами 2 с нанесенными на них активными слоями 4 и специально обработанными торцовыми (периферийным) частями 5.
Как видно на фиг. 3, согласно предлагаемому техническому решению уплотнение МЭБ обеспечивается не по тонкой толщиной 5-20 микрон протонопроводящей твердополимерной мембране 1, а по торцевым частям электродов 2, которые любым известным способом, например, уплотнительная прокладка 3 (или клей, резина, любой не отравляющий катализатор и мембрану наполнитель) достигается газонепроницаемость, включая торцевые части активного слоя 4 и мембраны 1.
При этом, как вариант исполнения, мембрана 1 толщиной 5-20 микрон наносится на один или оба электрода 2 в виде суспензии мономера, образующей после испарения растворителя плотную пленку. Для создания улучшенной газонепроницаемости мембраны 1, а также для улучшения ее электрохимических показателей предлагается использование многослойных мембран с использованием суспензии различных мономеров. Также предлагается при изготовлении мембраны 1 путем нанесения суспензии иоиомера периферийная часть мембраны 1, находящаяся за пределами активной зоны 4, изготавливается путем нанесения суспензии непротонопроводящего и не деформирующегося при увлажнении мембраны.
Для создания газонепроницаемости предлагается пористые электроды 2 за пределами активной зоны 4 и, в том числе, в зоне уплотнения МЭБ уплотненные (обработанные) любым известным способом так, чтобы обеспечивалась их газонепроницаемость (газоплотность) по всем поверхностям, кроме зоны активного слоя 4.
Работа МЭБ осуществляется следующим образом. Топливо (водород) и окислитель (кислород) с внешней стороны направляются к электродам 2 (соответственно топливо - аноду, а окислитель - к катоду), которые через пористый материал электродов 2 проникают с обеих сторон к мембране 1. В активной зоне 4 мембраны 1 происходит пространственный перенос образующихся на аноде и поглощаемых на катоде в ходе электрохимической реакции положительных зарядов - протонов, осуществляемый через мембрану 1. Равный по величине тока перенос отрицательных зарядов - электронов - идет через внешнюю цепь, в которую включена полезная нагрузка. Для исключения прямой химической реакции между водородом и кислородом использованы уплотнительные прокладки 3, а также применена специальная обработка - уплотнение торцевой части газодиффузионного слоя 5 электродов 2 за пределами активной зоны 4 мембраны 1.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет плотного сжатия мембраны между двух электродов по всей ее поверхности и уплотнения со стороны газовых сред с помощью уплотнительных прокладок по периферийной части каждого электрода позволяет увеличить ресурсные и надежностные показатели МЭБ, а также снизить его стоимость.