ПРЯМОЙ МЕТАНОЛЬНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
STRAIGHT METHANOL FUEL CELL

Изобретение относится к областям энергетики, связи, телекоммуникации и может быть использовано, в частности, в качестве источников питания для сотовых телефонов 4-го поколения.
В последние годы резко увеличилась производительность и мультифункциональность мобильных электронных устройств (особенно таких, как мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и ноутбуки) и проблема недостаточной емкости батарей, как источников питания этих устройств, вышла на передний план. В этих условиях резко интенсифицируются разработки источников энергии, в частности, прямых метанольных топливных элементов, способных заменить литиево-ионные батареи, которые подошли к пределу усовершенствований по увеличению плотности электрической мощности.
Достижению высокой плотности электрической мощности у прямых метанольных топливных элементов препятствует нерешенность проблемы заводнения их катодной части (газодиффузионных слоев и газоподводящих микроканалов). Одним из путей преодоления указанной проблемы является разработка топливных элементов, конструкции которых содержат микронасосы для принудительного удаления воды.
Известен прямой метанольный топливный элемент (пат. US 7799453, МПК F04B 17/00; опубл. 2006-02-09), содержащий микронасос для принудительного удаления воды из его катодной части. Микронасос основан на явлении электроосмоса и располагается между газодиффузионным слоем и системой газоподводящих микроканалов.
Существенным недостатком описываемой конструкции является необходимость применения газо- и водопроницаемых электродов, имеющих большую площадь и выполненных из платиновой проволоки, что значительно повышает стоимость изготовления подобного топливного элемента.
Известен, принятый за прототип, прямой метанольный топливный элемент, (пат. US 7179557 (В2), МПК Н01М 8/04, Н01М 8/24, опубл. 2005-06-30), содержащий в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, выполненную из водопроницаемого пористого материала. При этом для организации оттока воды через поры в стенках микроканалов применяется внешний насос.
К недостаткам конструкции данного топливного элемента можно отнести как сложность и дороговизну изготовления пористого материала для газоподводящей системы, так и необходимость применения дополнительного внешнего насоса, что понижает общую энергоэффективность топливного элемента и приводит к увеличению его размеров.
Предлагаемое изобретение решает простым и технологичным способом задачу создания высокоэффективных прямых метанольных топливных элементов, превосходящих существующие в настоящем аналоги по удельной электрической мощности порядка 20%.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией прямого метанольного топливного элемента, содержащего в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, новизна которого заключается в том что в газоподводящую систему встроен микронасос для принудительного удаления воды, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, а газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя.
Оптимальным вариантом материала пьезоэлектрической подложки может быть ниобат лития, однако он не ограничивает предлагаемое изобретение.
Пленка наноструктурированного углерода может быть выполнена из графена или из графена и прикрепленных к нему углеродных нанотрубок.
Предлагаемый прямой метанольный топливный элемент отвечает требованиям компактности, технологичности и надежности, поскольку содержит непосредственно встраиваемый в его катодную часть микронасос, который прост в изготовлении, потребляет мало энергии и не содержит движущихся частей.
Технический эффект предлагаемого прямого метанольного топливного элемента заключается в создании компактного, технологичного и надежного устройства с повышенной приблизительно на 20% удельной мощностью.
Микронасосы, использующие энергию поверхностных акустических волн для транспортировки жидкостей, широко применяются в микрофлюидике, в том числе, для создания лабораторий-на-чипе (lab-on-a-chip). Примеры подобных структур приведены в следующих патентах: WO 2009013705 (A1) - Device for controlling fluid motion into micro/nanochannels by means of surface acoustic waves; WO 0194017 (A1) - Process for manipulation of small quantities of matter. Описанные в указанных патентах микронасосы содержат пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем, выполненным с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, и каналы для перемещения жидкостей под действием поверхностной акустической волны. Встраивание таких микронасосов в катодную часть прямых метанольных топливных элементов невозможно, так как в ней при протекании электрохимических реакций образуются побочные продукты (перекись водорода и различные кислородные радикалы), обладающие высокой химической активностью.
Применение пленок графена, нанесенных на пьезоэлектрическую подложку, описано в патенте WO 2012120457 (A1) - An apparatus for transducing a surface acoustic wave. В патенте предлагается устройство, которое состоит из пьезоэлектрической подложки и расположенных на ее поверхности одного или нескольких электродов, выполненных из графена. Устройство предназначено для преобразования энергии поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке, в электрический сигнал, который снимается с графеновых электродов.
Таким образом, в существующем уровне техники не обнаружено описание конструкции прямого метанольного топливного элемента, использующего для принудительного удаления воды из газоподводящей системы своей катодной части микронасос работающий на поверхностно-акустических волнах.
Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанном прямом метанольном топливном элементе, сообщает ему соответствие критерию «новизна».
Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект - повышение удельной мощности 20%, и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».
Изготовление новой конструкции прямого метанольного топливного элемента с использованием известного оборудования сообщает ему соответствие критерию «промышленная применимость».
На Фиг. 1 представлена схема катодной части предлагаемого прямого метанольного топливного элемента.
а) - вид сверху;
б) - разрез по сечению А-А.
Прямой метанольный топливный элемент содержит в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем (на рисунке не показан) и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной 1 газоподводящую систему, отличающуюся тем, что в нее встроен микронасос для принудительного удаления воды. При этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку 2 с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем 3 и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода 4, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения при помощи контактов 5 с высокочастотным генератором (на рисунке не показан) и с возможностью формирования поверхностной акустической волны. А газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода 4 и выполнена в виде перегородок 6, которые образуют входной 7, выходной 8 и линейные газораспределительные каналы 9. При этом продольные оси линейных газораспределительных каналов 9 перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя 3.
Прямой метанольный топливный элемент работает следующим образом. Его работа основана на протекании двух электрохимических реакций. В анодной части прямого метанольного топливного элемента проходит реакция каталитического окисления смеси метанола и воды с образованием диоксида углерода, протонов и электронов. Протоны проникают через протонообменную мембрану в катодную часть прямого метанольного топливного элемента, где они на катализаторе реагируют с кислородом и электронами, образуя воду. При этом электроны, проходя через внешнюю цепь от анода к катоду, снабжают энергией подключенную к прямому метанольному топливному элементу нагрузку.
Газоподводящие системы как анодной, так и катодной частей содержат: входные каналы, через которые из внешнего источника поступают газообразные реагенты; выходные каналы, которые служат для удаления во вне продуктов электрохимических реакций и избытка реагентов; а также большое число газораспределительных каналов, с помощью которых реагенты подаются к газодиффузионным слоям.
Во избежании накопления в газораспределительных каналах воды, которая может блокировать нормальную работу газоподводящей системы и всего топливного элемента в целом, в предлагаемом нами устройстве от высокочастотного генератора (на рисунке не показан) через контакты 5 на встречно-штыревой преобразователь 3 подается переменное напряжение. При этом на поверхности пьезоэлектрической подложки 2, покрытой пленкой наноструктурированного углерода 4, возбуждается поверхностная акустическая волна. Данная волна, взаимодействуя с микрообъемами воды (на рисунке не показаны), располагающимися в газораспределительных каналах 9, формирует в них неоднородное акустическое поле. Это поле вызывает упорядоченное поступательной движение частиц воды, совпадающее с направлением распространения поверхностной акустической волны.
Покрытие пьезоэлектрической подложки 2, пленкой наноструктурированного углерода 4 позволяет достичь следующих целей:
- за счет высокой химической стойкости наноуглеродных пленок поверхность микронасоса приобретает надежную защиту от побочных продуктов, образующихся в катодной части прямого метанольного топливного элемента и обладающих высокой окислительной способностью;
- снижается мощность высокочастотного генератора, необходимая для перемещения микрообъемов воды.
- При этом фактически отсутствует поглощение энергии поверхностной акустической волны при ее передаче от пьезоэлектрической подложки 2 к микрообъемам воды..
Приведенный ниже пример подтверждает, но не ограничивает применение данного изобретения.
Пример 1.
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента изготовлен по схеме, описанной выше. В газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, представляющий из себя пьезокристалл ниобата лития (кристаллографическая ориентация поверхности - 128° YX срез), на котором нанесена пленка графена и обособленно от нее с помощью оптической литографии и технологии "lift off" из алюминиевой пленки толщиной 70 нм сформирован встречно-штыревой преобразователь, производящий поверхностную акустическую волну с длиной волны 64 мкм и частотой 62 МГц. При временно отсоединенной анодной части, а также при снятых протонообменной мембране и газодиффузионном слое, в газораспределительные каналы катодной части с помощью микродозатора вводились различные тестовые массивы капель воды. Капли имели объем от 1 до 3 мкл. После включения микронасоса во всех случаях для удаления из газораспределительных каналов всего массива капель требовалось не более 5 секунд. При этом максимальная мощность высокочастотного генератора, необходимая для активации движения капель указанных размеров, не превосходила 1 Вт.
Пример 2.
2
2
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента из примера 1 при работе с выключенным микронасосом продемонстрировал максимальное значение удельной электрической мощности равное 11.9 мВт/см. В случае работы с включенным микронасосом максимальное значение удельной электрической мощности составило 14.3 мВт/см (прирост 20.2%).
Пример 3.
2
2
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента отличается от лабораторного прототипа из примера 1 тем, что в газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, содержащий пленку графена с прикрепленными к нему углеродными нанотрубками. Данный лабораторный прототип при работе с выключенным микронасосом достиг максимальной удельной электрической мощности равной 12.1 мВт/см. При включении микронасоса значение максимальной удельной электрической мощности повысилось до 14.5 мВт/см (прирост 19.8%).
Как видно из приведенных примеров предлагаемая конструкция микронасоса позволяет эффективно удалять воду из катодной части топливных элементов, что делает возможным достижение этими приборами ныне недоступных значений удельной электрической мощности.