ОБРАТИМЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАТАРЕИ ОБРАТИМЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию и обратно и может быть использовано в топливных элементах транспортных средств с электрической силовой установкой, например, беспилотных летательных аппаратах и автомобилях.
Топливный элемент предназначен для прямого преобразования химической энергии в электрическую. Окисление топлива и восстановление окислителя происходит в нем раздельно на аноде и катоде. Процесс "горения" идет только, если топливный элемент отдает ток в нагрузку. Топливный элемент не является тепловой машиной, не подчиняется принципу Карно и его КПД не определяется разностью температур горячего газа в камере сгорания и холодного - в холодильнике.
Эффективным топливом для топливных элементов является водород высокой степени очистки, а окислителем - кислород. Возможна реализация энергоустановок с КПД на уровне 90%. Вместе с тем заправка водородом топливных элементов и в первую очередь мобильных транспортных средств с электрической силовой установкой представляет собой весьма сложную проблему из-за повышенной текучести и взрывоопасное™ водорода.
В связи с этим представляет значительный интерес разработка обратимых топливных элементов на водороде и кислороде, которые были бы способны работать как в режиме топливного элемента, преобразующего химическую энергию в электрическую, так и в режиме электролизера, осуществляющего электролиз воды от внешнего энергоисточника и запасающего водород и кислород в надежных контейнерах до момента переключения в режим топливного элемента.
Для создания таких обратимых топливных элементов могут быть использованы химически обратимые кислородные и водородные электроды и уникальная способность углеродных нанотрубок быть надежными микроконтейнерами водорода, см. например, (Petterson J., Ramsey В., Harrison D. A review of the latest developments in electrodes for unitised regenerative polymer electrolyte fuel cells.//Journal of Power Sources. 2006. vol. 157. №6. pp.28-34; Архангельская З.П., Логинова M.M., Касьян Т.Б., Виноградова Д.А. Газовыделение и газопоглощение в герметизированном никель-цинковом аккумуляторе с оксидно-никелевым электродом из сферического гидроксида никеля. Журнал прикладной химии. 2004. т.77. B.1. С.70-74; Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. 2006. С.293.)
Известен топливный элемент с твердым полимерным электролитом (патент RU №2286622 C2, МПК H01M 8/10, H01M 8/02, 27.10.2006), содержащий топливный электрод, окислительный электрод и твердую полимерную электролитную мембрану, расположенную между топливным и окислительным электродами.
Недостатком известного топливного элемента с твердым полимерным электролитом является необходимость постоянно подводить водород и кислород к топливному и окислительному электродам.
Известен газовый электрический аккумулятор (патент RU №2056676 C1, МПК H01M 8/08, H01M 14/00, 20.03.1996), содержащий герметичный корпус, палладиевые электроды с токоотводами, газовые камеры, разделенные сильфоном и раствор хлорида палладия в тяжелой воде в качестве электролита.
Недостатком известного технического решения является повышенная радиационная опасность из-за использования дейтерия в газовой камере устройства.
Наиболее близким из известных технических решений предлагаемому обратимому топливному элементу и способу функционирования батареи обратимых топливных элементов является топливный элемент (варианты) и способ эксплуатации батареи топливных элементов (патент RU №2352030 C1, ПМК H01M 8/08, 10.04.2009), содержащий электролит, анод, катод, анодный каталитический слой, катодный каталитический слой, охлаждающее устройство и зону конденсации электролита. Способ эксплуатации батареи топливных элементов, имеющей, по крайней мере, один топливный элемент, систему охлаждения и средства коммуникации, основан на пропускании топлива и окислителя через топливные элементы, охлаждении газообразных реагентов испаренного электролита в зонах конденсации и возврате электролита обратно в топливные элементы батареи.
Недостатком известного технического решения является сложность системы топливопитания при использовании устройства на мобильных транспортных средствах.
Задачей данного изобретения является повышение надежности и ресурса устройства.
Технический результат реализации изобретения заключается в создании безопасного устройства, не требующего регулярной заправки батареи топливных элементов водородом.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в обратимом топливном элементе, содержащем корпус, электролит, анод и катод с каталитическими слоями, анод и катод выполнены газодиффузионными с газопроницаемой подложкой на основе углеродных нанотрубок и в корпусе размещены предохранительный клапан, запас воды и система внутренней циркуляции воды.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе функционирования батареи предлагаемых обратимых топливных элементов, имеющей, по крайней мере, один обратимый топливный элемент, систему охлаждения и средства коммуникации, основанном на пропускании топлива и окислителя через топливные элементы батареи, периодически подключают батарею обратимых топливных элементов с помощью средств коммуникации к внешнему источнику электропитания для работы топливных элементов в режиме электролизера, проводят электролиз запасенной в них воды, насыщают водородом углеродные нанотрубки газодиффузионных электродов, создают в обратимых топливных элементах запас топлива и окислителя и переключают батарею обратимых топливных элементов на внешнюю нагрузку для работы в режиме топливного элемента.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Устройство работает циклически, как в режиме топливного элемента "сжигая" водород и вырабатывая электроэнергию, так и в режиме электролизера, разлагающего воду и запасающего водород для последующей работы устройства в режиме топливного элемента. С этой целью в устройстве установлены химически обратимые кислородные и водородные электроды, меняющие свои окислительные и восстановительные свойства при переключении режимов работы, выполненные на основе углеродных нанотрубок, обладающих уникальным свойством капсулировать водород внутри себя и быть надежными микроконтейнерами водорода.
Схема на фиг.1 иллюстрирует работу обратимого топливного элемента в режиме топливного элемента. На фиг.2 показана схема работы обратимого топливного элемента в режиме электролизера.
Обратимый топливный элемент содержит корпус 1, электролит 2, анод 3, катод 4, анодный каталитический слой 5 и катодный каталитический слой 6, предохранительный клапан 7, запас воды и систему внутренней циркуляции воды 8.
+
Обратимый топливный элемент работает следующим образом. В режиме топливного элемента (фиг.1) на аноде 3 катализатор слоя 5 расщепляет водород на электроны e и H по реакции:
2
+
H→2e+2H
+
+
+
н
Электролит 2 при этом создает необходимые условия разделения зарядов, например, протонообменная мембрана твердого полимерного электролита пропускает через себя положительно заряженные ионы водорода H и задерживает электроны. Скопившиеся на аноде 3 электроны создают избыточный отрицательный заряд, а прошедшие через твердый электролит 2 ионы водорода H создают на катоде 4 положительный заряд. При включении внешней нагрузки электроны с анода 3 перетекают на катод 4 и создают ток нагрузки во внешней цепи i. Пришедшие на катод 4 электроны, положительно заряженные ионы водорода H вместе с кислородом образуют молекулы воды согласно реакции
+
2
2
4H+4e+O→2HO
+
В режиме электролизера (фиг.2) к электроду 3 от внешнего источника электропитании подают отрицательный потенциал, а на электрод 4 - положительный потенциал. На электроде 4 под положительным потенциалом идет реакция расщепления молекул воды с образованием ионов водорода H, электронов и молекул кислорода
2
2
+
2HO→4H+4e+O
+
Далее ионы водорода H проходят через протонообменную мембрану твердого электролита 2 на электрод 3, где, получив от внешнего источника электроны, образуют молекулы водорода
+
2
2H+2e→H,
которые капсулируют внутри себя углеродные нанотрубки, входящие в состав газодиффузионного электрода. При этом кислород накапливают в полости, примыкающей к электроду 4. При переключении устройства из режима электролизера на внешнюю нагрузку в режим топливного элемента вновь происходит прямое преобразование запасенной химической энергии топлива в электрическую энергию.
тэ
эл
0,5
0,5
2
Обратимые топливные элементы с твердым полимерным электролитом обладают наиболее высокими КПД, удельной мощностью и экологической безопасностью. В опытном образце такого топливного элемента в качестве катализатора электрокаталитических слоев выбрана смесь иридия и платины, а газодиффузионные электроды с гидрофобным микропористым подслоем выполнены из углеграфитовой бумаги на основе углеродных нанотрубок, как надежных микроконтейнеров водорода. Гидрофобность, необходимая электроду топливного элемента не столь критична для водородного электрода электролизера. В таблице 1 приведены значения напряжений обратимого топливного элемента в режиме топливного элемента V и электролизера V при i=0,5 A/см для каталитической композиции Ir Pt, иридия и платины. Таблица 1
НапряжениеКатализатор
V<sub>тэ</sub>
V<sub>эл</sub>, B
Ir<sub>0,5</sub> Pt<sub>0,5</sub>
0,67
1,6
Ir
0,62
1,7
Pt
0,27
2,7
Подбор катализаторов для обратимых топливных элементов весьма важен, т.к. они должны будут эффективно работать как в режиме топливного элемента, так и в режиме электролизера. Настоящее изобретение изложено применительно к наиболее предпочтительному варианту его использования, но специалистам в данной области техники понятно, что возможны изменения в деталях конструкции изобретения, не меняющих, тем не менее, дух и суть данного изобретения.