МИНИАТЮРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Настоящая полезная модель относится к области энергетики, а именно к водородному топливному элементу, способному работать в резонаторе спектрометра ЭПР.
Известен топливный элемент, способный работать в резонаторе спектрометра ЭПР Х-диапазона (A.Panchenko, H.Dilger, E.Moller, T.Sixt, E.Roduner, J.Pow. Sources, 2004, v.127(1-2), p.325). Он состоит из корпуса и крышки в виде фторопластовых полуцилиндров с максимальным диаметром 11 мм, в каждом из которых имеются газовые каналы для подачи водорода и кислорода и удаления их излишков. В полуцилиндрах имеются углубления для помещения мембранно-электродного блока (МЭБ) из мембраны с нанесенным на нее платиновым катализатором с обеих сторон и газораспределителей-электрических коллекторов в виде сетки из платиновой проволоки. Коллекторы соединяются с внешней цепью с помощью серебряных проводов, проходящих через каналы. Полуцилиндры монтируются в единый цилиндрический элемент и скрепляются с помощью тонких бронзовых болтов и гаек с обоих концов. К газовым каналам подсоединяются трубки для подачи топлива и окислителя. Такой in situ топливный элемент помещается в резонатор спектрометра ЭПР.
Главным недостатком данной конструкции топливного элемента является неравномерность сжатия двух полуцилиндров: сжатие максимально в месте расположения двух болтов и гаек и минимально посредине, куда и помещаются мембранно-электродный блок и сеточные коллекторы. Попадание проводящих болтов на стоящие волны в резонаторе чревато проблемами настройки, из-за чего нельзя располагать болты ближе 3 см - длины волны излучения сверхвысокой частоты, применяемого в ЭПР. Второй недостаток - это сложность процесса сборки элемента с применением достаточно мелких болтов и гаек.
Из существующего уровня техники известен миниатюрный топливный элемент, способный работать в резонаторе спектрометра ЭПР, который состоит из корпуса, крышки, фторопластовой трубки и МЭБ, расположенного в углублениях корпуса и крышки. В корпусе и крышке имеются каналы, которые обеспечивают доступ водорода и кислорода, а также удаление их излишков. Корпус имеет цилиндрическую часть и полуцилиндрический конец, являющийся ответной частью крышки, причем корпус и крышка соединяются таким образом, что металлические трубки, которыми заканчиваются два канала в корпусе, входят в соответствующие два канала в крышке. Внутренний диаметр фторопластовой трубки равен внешнему диаметру цилиндрического топливного элемента (RU 66540, опубл. 10.09.2007). Однако данное устройство не позволяет осуществлять полный контроль расходования поступающих газов, т.к. часть газов может просачиваться через боковые щели топливного элемента. Этот конструктивный недостаток может привести к контакту водорода и кислорода (или воздуха) и вызвать прогорание МЭБ.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в более плотном соединении корпуса, МЭБ и крышки топливного элемента.
Данная задача решается заявляемым цилиндрическим топливным элементом, состоящим из корпуса в виде цилиндра, переходящего в полуцилиндр, крышки, выполненной в виде полуцилиндра, и фторопластовой трубки, которая соединяет полуцилиндрическую часть корпуса и крышку. В корпусе и крышке имеются углубления, где располагается специальная двухслойная рамка, внутрь которой помещается МЭБ. Двухслойная рамка выполнена из полимерного материала (например, полиэтилена) в виде плоского прямоугольника, ширина которого равна диаметру корпуса, а длина соответствует длине полуцилиндрической части корпуса. В прямоугольнике сделан сквозной вырез, размеры которого приблизительно на 1 мм с каждой стороны меньше размеров помещаемого внутрь МЭБ. В корпусе и крышке имеются сквозные каналы для подачи газов (водорода и кислорода или воздуха) к МЭБ.
Техническим результатом является плотное соединение корпуса и крышки топливного элемента, обеспечивающего полный контроль поступающих газов, более безопасную эксплуатацию топливного элемента, предотвращение прогорания МЭБ.
Устройство поясняется фиг.1, на которой изображен топливный элемент в разобранном состоянии:
Топливный элемент состоит из корпуса 1, крышки 2, фторопластовой трубки 3, мембранно-электродного блока (МЭБ) 4 и двухслойной рамки 5. В корпусе и крышке имеются каналы 7 и 8, которые обеспечивают доступ водорода и кислорода (или воздуха), а также удаление их излишков. Корпус 1 и крышка 2 соединяются таким образом, что металлическая трубка 6, которой заканчивается верхний канал 7 в корпусе, входит в соответствующий канал 8 в крышке. Таким образом, каналы объединяются в единую систему. Внутренний диаметр трубки 3 равен внешнему диаметру собранного из двух частей корпуса и крышки цилиндрического топливного элемента. В корпусе и крышке имеются углубления для помещения рамки 5 со вставленным внутрь МЭБ 4, состоящего из мембраны типа Нафион, с нанесенными с обеих сторон платиновыми частичками, служащими катализатором и электродом. Также, с двух сторон рамки располагаются сетки из тонкой платиновой проволоки, которые являются. как электрическими коллекторами, так и газораспределителями.
Работает топливный элемент следующим образом.
Фторопластовую трубку 3 одевают на собранный из корпуса 1 и крышки 2 фторопластовый цилиндр, во внутреннее углубление которого помещена рамка 5, со вставленным в него МЭБ 4, превращая, таким образом, составные части в единое целое. С помощью тонких соединительных проводов из серебра, электрические коллекторы подсоединяют к внешней сети. К обоим каналам подсоединяют трубки, по которым в топливный элемент под небольшим давлением подают водород и кислород (или воздух) и удаляют их излишки. Та сторона мембранно-электродного блока, куда по одному из каналов поступает водород, служит анодом, а куда поступает кислород или воздух - катодом. Топливный элемент помещают в резонатор спектрометра ЭПР так, чтобы электрические силовые линии стоящих волн резонатора были расположены перпендикулярно поверхности, покрытой катализатором мембраны. На поверхности катализатора между электродами и мембраной имеют место электрохимические реакции окисления водорода и восстановления кислорода. На поверхности катализатора, в отрицательно заряженной анодной части, происходит отщепление электрона от атома водорода. Образовавшиеся протоны диффундируют к катоду через мембрану, а электроны идут через внешнюю цепь, совершая полезную работу. Последние восстанавливают атомы кислорода до двухвалентных ионов на катализаторе катодной стороны. Эти ионы, прореагировав с продиффундировавшими протонами, образуют воду и тепло. В топливном элементе электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом. Топливный элемент осуществляет прямое превращение энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения.
Пример реализации технического решения.
2
Попытка снять диагностические кривые с работающего топливного элемента по прототипу, где на поверхность мембраны Нафион, размеры которой 19×4 мм, с обеих сторон нанесен платиновый катализатор с плотностью 2 мг/см, оказалась безуспешной из-за моментального прогорания мембраны (фиг.2а). Однако, когда МЭБ помещен в двухслойную рамку, то при сборке топливного элемента осуществляется плотный контакт между корпусом и крышкой и перемешивания газов в процессе работы топливного элемента не происходит, что дает возможность снимать его диагностические характеристики в оптимальных условиях. При этих условиях достигается полный количественный контроль газов, поступающих на анодную и катодную стороны.
2
На фиг.2б приведены диагностические характеристики заявляемого миниатюрного топливного элемента, а именно график зависимости напряжения, вырабатываемого топливным элементом от плотности тока, а также график зависимости плотности мощности от плотности тока. Из графика видно, что максимальная мощность топливного элемента вырабатывается при 0.35 В и составляет 106 mW/cm.
Таким образом, заявлен новый топливный элемент с плотным соединением корпуса и крышки, обеспечивающий контроль поступающих газов, предотвращение прогорания мембраны МЭБ и безопасную эксплуатацию устройства.