ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ (ВОЗДУШНЫЙ) ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ-АККУМУЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК H01M8/04 H01M16/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным элементам (ТЭ), используемым в энергоустановках различного назначения, например на транспортных средствах.

Известны водородно-кислородные (воздушные) ТЭ, используемые на транспортных средствах в качестве источника энергии. Однако ТЭ не могут обеспечить пиковую мощность, потребляемую транспортным средством при маневрах, и рекуперацию энергии при торможении. Для обеспечения указанных требований используется накопитель энергии, например аккумулятор, подключаемый параллельно с ТЭ (см. патент США 5929594, кл. H 02 J 7/00, 1999). Наличие дополнительного аккумулятора ухудшает удельные характеристики установки.

Известен водородно-кислородный ТЭ - аккумулятор (ВКТЭА), представляющий собой ТЭ, совмещенный в одном корпусе с электролизером. ВКТЭА содержит водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный электрод с кислородной камерой, электролит, расположенный между электродами, и емкости для хранения водорода и кислорода (см. патент США 4839247, Н 01 М 8/18, 1989). Недостатком известного ВКТЭА являются низкие удельные электрические характеристики из-за наличия емкостей для хранения реагентов. Кроме того, указанный ВКТЭА обладает ограниченным ресурсом из-за плохой обратимости кислородного электрода при циклировании (см. В.С.Багоцкий и др. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981, с.255).

Известен ВКТЭА, содержащий водородную и кислородную камеры с соответствующими электродами, разделенными электролитом. Для обеспечения длительной работоспособности ВКТЭА содержит два типа электродов, одни из которых используются при заряде, а другие при разряде ВКТЭА (см. патент США 4074018, кл. Н 01 М 4/86, 1978). Недостатком рассматриваемого ВКТЭА является сложность конструкции из-за наличия двух типов электродов, размещенных в одном корпусе.

Из известных ВКТЭА наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ВКТЭА, содержащий водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, воздушный газодиффузионный электрод с воздушной камерой, электролит, расположенный между водородным и воздушным электродами, и емкость для хранения водорода, заполненная металлогидридным сплавом (см. патент США 5510202, Н 01 М 8/06, 1996). Использование воздуха в качестве окислителя и металлогидрида в качестве накопителя водорода позволяет существенно повысить удельные характеристики ВКТЭА за счет исключения кислородной емкости и снижения рабочего давления в водородной емкости. Недостаток указанного известного ВКТЭА связан с низкой обратимостью воздушного электрода при циклировании, что приводит к снижению ресурса.

Задачей изобретения является создание ВКТЭА, обладающего высокими удельными характеристиками и ресурсом работы.

Указанный технический результат достигается тем, что ВКТЭА содержит водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод с кислородной (воздушной) камерой и электролит, расположенный между водородным и кислородным (воздушным) электродами. При этом водородный электрод содержит металлогидридный сплав, между водородным и кислородным (воздушным) электродами расположен окисно-никелевый электрод, а в качестве электролита взят щелочной электролит. Описанное выше конструктивное выполнение ВКТЭА позволяет функционально объединить и разместить в одном корпусе ТЭ и никель-металлогидридный аккумулятор. При этом ввиду высокой обратимости водородного электрода, он является общим для ТЭ и аккумулятора. Совмещение аккумулятора и ТЭ позволяет существенно повысить удельные характеристики и ресурс ВКТЭА.

Целесообразно, чтобы окисно-никелевый электрод был отделен от водородного и кислородного (воздушного) электродов сепараторами. Наличие сепараторов предотвращает возможность замыкания указанных электродов. Целесообразно, чтобы окисно-никелевый электрод был выполнен с возможностью электрического подключения к кислородному (воздушному) электроду, например, посредством переключателя. Возможность такого подключения посредством указанного переключателя позволяет отключать кислородный (воздушный) электрод при заряде аккумулятора и подключать его параллельно окисно-никелевому электроду при одновременном разряде ТЭ и аккумулятора.

Целесообразно, чтобы окисно-никелевый электрод имел пористость в диапазоне 60 - 80%, а его относительное сопротивление по электролиту составляет 1,5 - 8. Высокая пористость и малое относительное сопротивление по электролиту окисного никелевого электрода, расположенного между водородным и кислородным (воздушным) электродами ВКТЭА, не приведут к значительному увеличению внутреннего сопротивления ВКТЭА.

Целесообразно, чтобы металлогидридный сплав был расположен на поверхности водородного электрода, обращенной к водородной камере, а зарядная емкость окисно-никелевого электрода была согласована с зарядной емкостью по водороду метталлогидридного сплава. Размещение сплава на поверхности электрода, обращенной к водородной камере, облегчает сорбцию водорода, выделяющегося при заряде аккумулятора и десорбцию водорода при разряде аккумулятора. Согласование указанных емкостей обеспечивает оптимальность конструкции аккумулятора и ВКТЭА в целом.

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 чертежом и описанием конструкции заявленного ВКТЭА
На чертеже в разрезе представлен ВКТЭА. ВКТЭА включает водородный газодиффузионный электрод 1 с водородной камерой 2, кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод 3 с кислородной (воздушной) камерой 4. Водородный электрод 1 на поверхности, обращенной к водородной камере, содержит металлогидридный сплав 5. Окисно-никелевый электрод 6 отделен от водородного 1 и кислородного (воздушного) 3 электродов сепараторами 8. Водородный электрод 1 и кислородный (воздушный) электрод 3 разделены щелочным электролитом 7. Кислородный (воздушный) электрод 3 через переключатель 9 соединен с окисно-никелевым электродом 6. При заряде (разряде) ВКТЭА внешний источник электрической энергии (нагрузка) подключен к электрическим выводам 10. При заряде переключатель 9 разомкнут, и происходит заряд аккумулятора с электродами 1 и 6. При разряде переключатель 9 замкнут, и происходит разряд аккумулятора с электродами 1, 6 и работа ТЭ с электродами 1, 3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявленный ВКТЭА работает следующим образом. В водородную полость 2 подают водород, в кислородную (воздушную) полость 4 подают кислород (воздух), переключатель 9 замкнут и ВКТЭА готов работать в режиме ТЭ. При необходимости заряда ВКТЭА переключатель 9 размыкается, к электрическим выводам 10 подключается внешний источник электроэнергии. В процессе заряда на водородном электроде 1 выделяется водород, который поглощается металлогидридным сплавом 5, на окисно-никелевом электроде протекает реакция заряда в соответствии с уравнением реакции: Ni(OH)₂+OH^--->NiOOH+Н₂О+е. При разряде ВКТЭА происходит параллельная работа ТЭ и аккумулятора. При полном разряде аккумулятора генерирование электроэнергии обеспечивает ТЭ. Таким образом, в заявленном ВКТЭА в едином корпусе функционально совмещены ТЭ и металлогидридный аккумулятор, причем водородный электрод является общим и для ТЭ и для аккумулятора. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ВКТЭА может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным элементам (ТЭ), используемым в энергоустановках различного назначения, например на транспортных средствах. Согласно изобретению водородно-кислородный (воздушный) топливный элемент-аккумулятор (ВКТЭА) содержит водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод с кислородной (воздушной) камерой и электролит, расположенный между водородным и кислородным (воздушным) электродами. При этом водородный электрод содержит металлогидридный сплав, между водородным и кислородным (воздушным) электродами расположен окисно-никелевый электрод, а в качестве электролита взят щелочной электролит. Окисно-никелевый электрод может быть отделен от водородного и кислородного (воздушного) электродов сепараторами. Окисно-никелевый электрод может быть выполнен с возможностью электрического подключения к кислородному (воздушному) электроду посредством переключателя. Окисно-никелевый электрод может иметь пористость в диапазоне от 60 до 80% при относительном сопротивлении по электролиту от 1,5 до 8. Металлогидридный сплав расположен на поверхности водородного электрода, обращенной к водородной камере, а зарядная емкость окисно-никелевого электрода согласована с зарядной емкостью по водороду металлогидридного сплава. Техническим результатом изобретения является создание ВКТЭА, обладающего высокими удельными характеристиками и ресурсом работы. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Водородно-кислородный (воздушный) топливный элемент-аккумулятор (ВКТЭА), содержащий водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод с кислородной (воздушной) камерой и электролит, расположенный между водородным и кислородным (воздушным) электродами, отличающийся тем, что водородный электрод содержит металлогидридный сплав, между водородным и кислородным (воздушным) электродами расположен окисно-никелевый электрод, а в качестве электролита взят щелочной электролит. 2. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что окисно-никелевый электрод отделен от водородного и кислородного (воздушного) электродов сепараторами. 3. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что окисно-никелевый электрод выполнен с возможностью электрического подключения к кислородному (воздушному) электроду. 4. ВКТЭА по п. 3, отличающийся тем, что окисно-никелевый электрод электрически подключен к кислородному (воздушному) электроду посредством переключателя. 5. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что окисно-никелевый электрод имеет пористость в диапазоне 60-80%. 6. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что относительное сопротивление окисно-никелевого электрода по электролиту составляет от 1,5 до 8. 7. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что металлогидридный сплав расположен на поверхности водородного электрода, обращенной к водородной камере. 8. ВКТЭА по п. 1, отличающийся тем, что зарядная емкость окисно-никелевого электрода согласована с зарядной емкостью по водороду металлогидридного сплава.