ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ГЕНЕРАТОР НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2003 года по МПК H01M8/04 

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным элементам (ТЭ) с жидким щелочным электролитом и гидрофобными электродами и генераторам на их основе, работающим в режиме разбавления электролита.

Предшествующий уровень техники
Известны водородно-кислородные (воздушные) ТЭ с жидким щелочным электролитом и генератор на их основе, работающие в режиме разбавления электролита (а. с. СССР 982491, кл. Н 01 М 8/04, 15.12.1993). Исследованиями установлено, что при работе ТЭ в режиме разбавления происходит разбавление не всего объема электролита в электролитной камере, а лишь тонкого слоя электролита, примыкающего к водородному электроду. Указанный слой электролита, имеющий меньшую плотность, чем остальной объем электролита в электролитной камере, поднимается вверх и сливается из ТЭ. При этом средняя концентрация электролита в ТЭ изменяется незначительно, что позволяет ТЭ работать в режиме разбавления достаточно долго (сотни часов) без существенного снижения электрических характеристик.

В ТЭ известной конструкции, содержащей гидрофобные электроды, разделенные электролитной камерой с жидким щелочным электролитом и сепаратором, выполненным из просечной растянутой сетки из полимерного материала (см. а.с. СССР 480145, кл. Н 01 М 8/04, 18.11.1975) трудно обеспечить указанный режим работы при разбавлении, поскольку при использовании гидрофобных электродов имеет место явление спонтанного проникновения кислородсодержащего газа (воздуха) через гидрофобный газодиффузионный электрод в электролитную камеру даже при условии превышения давления электролита над газом (Zia R. Karichev et al, Spontaneous Gas Bubbling in Microporous Oxygenators. Artif. Organs, Vol.23,No.10, 1999.p.904-909). Появление пузырей газа в электролитной камере ТЭ при использовании сепаратора из просечной сетки приводит к перемешиванию всего объема электролита в электролитной камере ТЭ, что снижает суммарную концентрацию электролита в ТЭ и время его работы в режиме разбавления. Таким образом, недостатком известного ТЭ с гидрофобными электродами является невозможность его длительной работы в режиме разбавления электролита.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание водородно-кислородного (воздушного) ТЭ с гидрофобными электродами и генератора на его основе, способных длительное время работать в режиме разбавления электролита.

Указанный технический результат достигается тем что, в водородно-кислородном (воздушном) ТЭ, содержащем газодиффузионные гидрофобные электроды и электролитную камеру с сепаратором из газонепроницаемого материала, расположенную между указанными электродами, сепаратор в плоскости, параллельной электродам, делит электролитную камеру на две части. Такое выполнение сепаратора позволяет отделить часть камеры, примыкающей к водородному электроду, от второй части камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду. Разбавленный слой электролита, примыкающий к водородному электроду, будет подниматься наверх и сливаться из ТЭ. Пузыри газа, приникающие через кислородный (воздушный) электрод, не могут перемешать электролит во всей камере, поскольку имеется газонепроницаемый сепаратор. В части камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду, электролит не разбавляется, так что его перемешивание не влияет на изменение его концентрации.

Целесообразно, чтобы сепаратор делил электролитную камеру ТЭ на две равные части. Такое выполнение ТЭ упрощает его конструкцию, поскольку возможно произвольное расположение сепаратора и не требуется определенная его ориентация.

Целесообразно, чтобы часть электролитной камеры, примыкающая к водородному электроду, была больше части электролитной камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду. Такое выполнение ТЭ увеличивает объем электролита в указанной камере, что снижает скорость снижения концентрации и увеличивает время работы ТЭ. Кроме того, при наличии внешней емкости с концентрированным электролитом , соединенной с ТЭ, облегчается подпитка указанной камеры свежим электролитом из емкости.

Целесообразно, чтобы часть электролитной камеры, примыкающая к кислородному (воздушному) электроду, была больше части электролитной камеры, примыкающей к водородному электроду. Такое выполнение ТЭ целесообразно, когда имеет место значительное газовыделение в электролит через кислородный (воздушный) электрод. Наличие большой электролитной камеры облегчит всплытие и удаление пузырей из ТЭ.

Целесообразно, чтобы сепаратор был выполнен из ионообменного материала с проводимостью по ионам ОН^-- и снабжен на противоположных сторонах сепаратора вертикальными ребрами. Такое выполнение сепаратора гарантирует его газонепроницаемость и требуемую механическую прочность.

Целесообразно, чтобы сепаратор был выполнен пористым из гидрофильного материала и снабжен на противоположных сторонах сепаратора вертикальными ребрами. Выполнение сепаратора ТЭ из указанного материала гарантирует газонепроницаемость сепаратора при сохранении требуемой ионной проводимости. Наличие вертикальных ребер обеспечивает механическую прочность электродов и свободное всплытие разбавленного электролита и пузырей, проникшего в электролитную полость газа.

Целесообразно, чтобы ребра на противоположных сторонах сепаратора были расположены напротив друг друга. Такое расположение ребер повышает прочность сепаратора и предотвращает его возможный изгиб.

Целесообразно, чтобы пористость сепаратора была выше пористости электродов. Более высокая пористость сепаратора снижает внутреннее сопротивление ТЭ.

Другим объектом изобретения является генератор на основе описанных выше ТЭ с гидрофобными электродами. Длительная работоспособность генератора обеспечивается тем, что генератор, содержащий батарею, по крайней мере, из двух ТЭ с гидрофобными электродами, жидким щелочным электролитом и трубопроводом слива разбавленного электролита, системы подачи реагентов и продувки и подпитывающую емкость с концентрированным электролитом, использует ТЭ с гидрофобными электродами, в которых газонепроницаемый сепаратор делит электролитную камеру на две части. При этом части камеры могут быть равны, либо часть, примыкающая к водородному электроду, больше части камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду, либо часть, примыкающая к кислородному (воздушному) электроду, больше части, примыкающей к водородному электроду. Сепаратор может быть выполнен из пористого гидрофильного материала или из ионообменного материала с проводимостью по ионам ОН^-- и снабжен вертикальными ребрами, расположенными на противоположных сторонах друг против друга. Пористость сепаратора, при его выполнении из гидрофильного материала, превышает пористость электродов.

Целесообразно, чтобы генератор был снабжен емкостью, соединенной с трубопроводом для слива разбавленного электролита. Наличие емкости для сбора разбавленного электролита упрощает эксплуатацию генератора и позволяет повторное использование электролита после его регенерации.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием конструкции заявленных ТЭ и генератора на его основе.

Перечень фигур чертежей
На фиг.1а представлен продольный разрез ТЭ.

На фиг.1б представлен поперечный разрез ТЭ.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема генератора с разбавлением электролита.

Топливный элемент содержит водородный электрод 1 с водородной камерой 2, кислородный (воздушный) электрод 3 с кислородной (воздушной) камерой 4 и газонепроницаемый сепаратор 5, делящий электролитную камеру на две части: часть 6, примыкающую к водородному электроду 1, и часть 7, примыкающую к кислородному (воздушному) электроду 3. Сепаратор 5 снабжен ребрами 8, расположенными друг против друга на противоположных сторонах сепаратора.

Генератор включает батарею из нескольких ТЭ 9, трубопровод слива разбавленного электролита 10, систему подачи реагентов водорода 11а и кислорода (воздуха) 11б, систему продувки 12, подпитывающую емкость с концентрированным электролитом 13 и емкость сбора разбавленного электролита 14.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявленный ТЭ и генератор работают следующим образом. В камеру 2 подается водород из системы подачи 11а, в камеру 4 подается кислород (воздух) из системы подачи 11б, в камерах 6 и 7 находится щелочной электролит. При включении нагрузки на водородном электроде будет образовываться вода, которая вдоль его поверхности будет подниматься вверх к сливному штуцеру и через трубопровод 10 сливаться в емкость 14. Газ, проникающий в камеру 7 через гидрофобный электрод 3 в результате спонтанного пробулькивания, отделен от камеры 6, где имеет место процесс разбавления электролита газонепроницаемым сепаратором, и поэтому он не может оказать негативного влияния на процесс разбавления электролита в камере 6 в результате его перемешивания. Перемешивание электролита в камере 7 газовыми пузырями никак не сказывается на суммарной концентрации электролита в ТЭ, а следовательно, и не оказывает отрицательного влияния на ресурс и характеристики ТЭ. По мере разбавления электролита в ТЭ будет поступать концентрированный электролит из емкости 13. Это обеспечивает автономную длительную работу генератора практически без снижения его электрических характеристик.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленные ТЭ и генератор на его основе могут быть реализованы на практике с достижением заявленного технического результата, т. е. они соответствуют критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к области электротехники, а именно к ТЭ с газодиффузионными гидрофобными электродами и жидким щелочным электролитом и генераторам на их основе, работающим в режиме разбавления. Согласно изобретению водородно-кислородный (воздушный) ТЭ содержит газодиффузионные гидрофобные электроды и электролитную камеру с жидким щелочным электролитом и сепаратором, расположенную между указанными электродами. Сепаратор выполнен газонепроницаемым и в плоскости, параллельной электродам, делит электролитную камеру на две части. При этом указанные камеры могут быть равны, либо часть камеры, примыкающая к водородному электроду, больше части камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду, либо часть камеры, примыкающая к кислородному (воздушному) электроду, больше части камеры, примыкающей к водородному электроду. Сепаратор может быть выполнен из пористого гидрофильного материала или из ионообменного материала с проводимостью по ионам ОН и снабжен на противоположных сторонах сепаратора вертикальными ребрами. При этом ребра расположены на противоположных сторонах сепаратора напротив друг друга. Пористость сепаратора может превышать пористость электродов. Другим объектом изобретения является генератор, содержащий батарею, по крайней мере, из двух ТЭ с гидрофобными электродами, жидким щелочным электролитом и трубопроводом слива разбавленного электролита, системы подачи реагентов и продувки и подпитывающую емкость с концентрированным электролитом, при этом ТЭ как описано выше. Генератор может быть снабжен емкостью, соединенной с трубопроводом для слива разбавленного электролита. Техническим результатом изобретения является создание ТЭ с гидрофобными электродами и жидким щелочным электролитом и генератора на его основе, способных длительное время работать в режиме разбавления без существенного снижения электрических характеристик. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Водородно-кислородный (воздушный) топливный элемент, содержащий газодиффузионные гидрофобные электроды и электролитную камеру с жидким щелочным электролитом и сепаратором, расположенную между указанными электродами, отличающийся тем, что сепаратор выполнен газонепроницаемым и в плоскости, параллельной электродам, делит электролитную камеру на две части. 2. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор делит электролитную камеру на две равные части. 3. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что часть электролитной камеры, примыкающая к водородному электроду, больше части электролитной камеры, примыкающей к кислородному (воздушному) электроду. 4. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что часть электролитной камеры, примыкающая к кислородному (воздушному) электроду, больше части электролитной камеры, примыкающей к водородному электроду. 5. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор выполнен пористым из гидрофильного материала и снабжен на противоположных сторонах сепаратора вертикальными ребрами. 6. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор выполнен из ионообменного материала с проводимостью по ионам ОН и снабжен на противоположных сторонах сепаратора вертикальными ребрами. 7. Топливный элемент по п. 5 или 6, отличающийся тем, что ребра на противоположных сторонах сепаратора расположены напротив друг друга. 8. Топливный элемент по п. 5, отличающийся тем, что пористость сепаратора выше пористости электродов. 9. Генератор, содержащий батарею, по крайней мере, из двух топливных элементов с гидрофобными электродами, жидким щелочным электролитом и трубопроводом слива разбавленного электролита, системы подачи реагентов и продувки и подпитывающую емкость с концентрированным электролитом, отличающийся тем, что топливный элемент выполнен по любому из пп. 1-8. 10. Генератор по п. 9, отличающийся тем, что он снабжен емкостью, соединенной с трубопроводом для слива разбавленного электролита.