ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА
PORTABLE CURRENT SOURCE

Изобретение относится к портативному источнику тока - автономное зарядное устройство (АЗУ), на щелочных топливных элементах с градиентно-пористыми матричными структурами, которые могут быть использованы в автономных и стационарных источниках водорода, для питания водородно-воздушных топливных элементов, а также в топливных элементах прямого окисления растворенного топлива - боргидридов щелочных металлов, например, в портативных автономных зарядных устройствах для телефонной связи и в автомобильной промышленности.
Известные топливные элементы прямого электрохимического окисления для выработки электроэнергии из твердофазного органического топлива содержат катод, снабженный электрокатализатором восстановления; анод, снабженный катализатором электрохимического окисления, и твердый оксидный электролит, являющийся средством для переноса кислорода от катода к аноду (см., например, заявку RU2006120726). Указанный топливный элемент может быть использован при высоких температурах (950-1200°С).
-1
4
Согласно настоящему изобретению в качестве основного компонента топлива в разрабатываемом устройстве используется боргидрид щелочного металла (преимущественно, натрия). Боргидриды щелочных металлов имеют наиболее высокую теоретическую удельную энергию (9296 Вт·ч·кг для NaBH). Сочетание преимуществ (химическая стойкость боргидридов, дешевизна, доступность, растворимость в воде продуктов электрохимических превращений, безопасность при транспортировке, получение в качестве продукта прямого окисления метабората натрия, возможность работы при комнатной температуре, отсутствие потребности в дополнительной энергии для реализации процесса в реакторе, конструкция которого максимально проста) делают боргидридно-воздушные ТЭ крайне привлекательными в качестве источников тока. Поэтому топливные элементы с прямым окислением борогидридов могут использоваться в более широком температурном интервале (от -20 до 70°С) по сравнению с другим жидкими топливами (см. А.Ю.Цивадзе и др. в статье «Новые электрокатализаторы для топливного элемента (ТЭ) с прямым окислением боргидридов (Доклады Академии Наук, 2007, т.414, №2, с.211-214).
Задачей настоящего изобретения является разработка нового портативного источника тока (АЗУ) с использованием бесплатиновых наноразмерных катализаторов электровосстановления кислорода воздуха и прямого электрокисления боргидридов щелочных металлов в боргидридных топливных элементах с высокой стабильностью каталитической активности и нового электролита. Указанные источники являются более стабильными в работе, они доступнее и дешевле, чем ранее известные источники.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышенные концентрации кислорода и снижение омических потерь.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается портативный источник тока, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М КОН. На одну поверхность пластины нанесен слой бесплатинового катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом углеродном носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе. Причем слой катодного катализатора граничит с газодидиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение.
2
n
4
9
4
4
9
4
9
4
Дополнительно предлагается в гелевый электролит ввести перфторированное соединение в виде соли теломерных или полностью фторированных кислот H(CF)COON(CH), где n=2, 3 или CFCOON(CH) (10-12%).
Атомное соотношение компонентов сплава Ni:Ru:F составляет (8-12):1:(1-5).
Дополнительно предлагается пластину из пористого непроводящего материала выполнить толщиной 50÷150 мкм из керамики и/или стекла с пористостью 60÷90% и средним размером пор 1÷10 мкм.
Дополнительно предлагается газодиффузионный слой из пористого тефлона выполнить толщиной 150÷300 мкм.
12
5
Сплав анодного катализатора представляет собой брутто-состав NiRuF.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство, где 1 - пластина из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М КОН, 2 - слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, 3 - гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, 4 - газодиффузионный слой, выполненный из пористого тефлона, 5 - камера с жидким топливом. Объем топлива должен быть достаточным для обеспечения энергозапаса 20 Вт·ч.
Устройство работает следующим образом. В камеру 5 заливают топливо (электролит с боргидридом натрия и добавками), которое, проходя через гидрофильной слой анодного катализатора 3, поступает в рабочую зону (оба электрода смочены электролитом). Источник тока готов к работе. При присоединении к потребителю энергии, например мобильному телефону, цепь замыкается. Рабочее напряжение (0,6-0,7 В) от зарядного устройства с помощью DC-DC конвертера преобразуется в напряжение (3,8-5,4 В) и поступает на потребитель, при этом через цепь течет постоянный ток (около 185-260 мА), необходимый для заряда мобильного телефона.
Ниже приведены реакции, протекающие в межэлектродном зазоре.
Общая реакция
ВН<sub>4</sub><sup>-</sup>+2O<sub>2</sub>→ВО<sub>2</sub><sup>-</sup>+2H<sub>2</sub>O
Е<sub>o</sub>=1.64 В
Анодные реакции
ВН<sub>4</sub><sup>-</sup>+8OH<sup>-</sup>→BO<sub>2</sub><sup>-</sup>+6Н<sub>2</sub>О+8е<sup>-</sup>
Е<sub>o</sub>=-1.24 В
ВН<sub>4</sub><sup>-</sup>+4OH<sup>-</sup>→BO<sub>2</sub><sup>-</sup>+2H<sub>2</sub>O+2Н<sub>2</sub>+4е<sup>-</sup>
2Н<sub>2</sub>+4OH<sup>-</sup>→4H<sub>2</sub>O+4е<sup>-</sup>
Катодная реакция
2O<sub>2</sub>+4H<sub>2</sub>O+8е<sup>-</sup>→8OH<sup>-</sup>
E<sub>o</sub>=-0.40 В
Для эффективного использования боргидридно-воздушных топливных элементов для АЗУ необходимо решить ряд задач по предотвращению гидролиза или резкому торможению гидролиза боргидридов в растворе и на аноде, предотвращению или торможению переноса боргидрид-ионов к катоду, на котором эти ионы взаимодействуют с кислородом, уменьшению скорости побочной реакции окисления боргидрида с образованием водорода. Водород, проникая через градиентно-пористую структуру катодного катализатора 2 и газодиффузионный слой 4 выводится в атмосферу.
2
2
2
Проведенные исследования показали, что при использовании в качестве топлива боргидрида натрия, а в качестве окислителя - кислорода воздуха, с применением высокоактивных катодных и анодных модулей на основе градиентно-пористых структур, снабженных бесплатиновыми наноэлектрокатализаторами, характеристики топливных элементов резко возрастают (при напряжении 0.8 В плотность тока окисления боргидрида составляла 51.5 мА/см, а при рабочих напряжениях 0.7÷0.6 В 70-90 мА/см), что обеспечивает удельные мощности на уровне до 50 мВт/см.
2
2
Для сравнения, по литературным данным, удельная энергия некоторых ТЭ на основе системы «боргидрид» - воздух составляет 180 Вт·ч/кг (в расчете на вес топлива) и удельной мощности 20 мВт/см при комнатной температуре и плотности тока разряда 5 мА/см.
Предлагаемая конструкция АЗУ на основе прямого окисления топлива обеспечивает его экологическую безопасность.
4
4
9
4
9
4
На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика боргидридно-воздушного ТЭ при комнатной температуре. Состав электролита 1MNaBH, 10% CFCOON(CH), 10% глицерина в 5 мл 6 М КОН (без загустителя)
-2
Длительные испытания боргидридно-воздушного ТЭ при постоянном напряжении 0.7 В показали, что плотность тока окисления была стабильной и составляла от 70 до 80 мА·см.