МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНЫЙ УЗЕЛ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2008 года по МПК H01M8/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к топливному элементу, в частности к МЭУ (мембранно-электродному узлу) топливного элемента, способному промотировать электрохимические реакции окисления и восстановления, протекающие на топливном электроде (аноде), к которому подают топливо, и воздушном электроде (катоде), к которому подают воздух.

Уровень техники

Топливный элемент был представлен как замена ископаемого топлива. В топливный элемент постоянно подают топливо, содержащее водород, и одновременно с этим постоянно подают воздух, содержащий кислород, причем водород и кислород вступают в электрохимическую реакцию, и соответственно разность энергий между состояниями до и после реакции непосредственно превращается в электрическую энергию.

Топливные элементы можно классифицировать по разным категориям согласно видам топлива, рабочей температуре и катализатору и т.д.

На фиг.1 и 2 показан один из примеров топливного элемента. Как показано на фиг.1 и 2, в топливном элементе МЭУ (мембранно-электродный узел) 200 вставлен между парой биполярных пластин 100. На обеих сторонах или одной стороне биполярной пластины 100 сформированы соответственно открытые выемки 110, 120, в которых протекает текучая среда. На обеих сторонах биполярной пластины 100 сформированы впускные каналы 130, 140 и выпускные каналы 150, 160 соответственно для втекания и вытекания потока текучей среды в открытые выемки 110, 120 и из них. В МЭУ 200 топливный электрод (анод) 220, контактирующий с топливом, сформирован на одной стороне электролитной мембраны 210, имеющей определенную площадь, а воздушный электрод (катод) 230, контактирующий с воздухом, сформирован на другой стороне электролитной мембраны 210.

С помощью открытых выемок 110, 120 на обеих сторонах МЭУ 200 сформированы соответственно канал для топлива, по которому протекает топливо, и канал для воздуха, по которому протекает воздух. В данном случае топливный электрод 220 расположен в открытой выемке 410, 110 на топливной стороне, а воздушный электрод 230 расположен в открытой выемке 420, 120 на воздушной стороне.

В описанном выше топливном элементе, когда топливо поступает во впускной канал 130 биполярной пластины 100, одновременно во впускной канал 140 другой биполярной пластины 100 поступает воздух. Топливо, поступающее во впускной канал 130, протекает через открытую выемку 110 и выходит через выпускной канал 150. Воздух, поступающий во впускной канал 140, протекает через открытую выемку 120 и выходит через выпускной канал 160. Топливо, выходящее через выпускной канал 150, протекает во впускной канал 130 при помощи дополнительного устройства и циркулирует.

В процессе подачи потока топлива в открытую выемку 110 происходит электрохимическая реакция окисления на топливном электроде 220 МЭУ 200, контактирующем с открытой выемкой 110, при этом ионы водорода движутся к воздушному электроду 230 через электролитную мембрану 210, а электроны движутся к воздушному электроду 230 через нагрузку (не показана), соединяющую топливный электрод 220 с воздушным электродом 230. Одновременно, при протекании воздуха в открытой выемке происходит электрохимическая реакция восстановления на воздушном электроде 230 МЭУ, контактирующем с открытой выемкой 120, ион водорода соединяется с кислородом, и при этом соответственно генерируются вода, теплота реакции и дополнительные побочные продукты. При продолжении этого процесса электроны движутся от анода (топливного электрода) к катоду (воздушному электроду) через нагрузку, и генерируется электроэнергия.

Топливный электрод 220 и воздушный электрод 230 топливного элемента, на которых происходят реакции окисления и восстановления, обычно выполнены в виде каталитического электрода, имеющего катализатор для активизации реакции.

Ссылочной позицией 300 обозначена коллекторная пластина.

На фиг.3 показан МЭУ топливного элемента в соответствии с известным уровнем техники. Как показано на фиг.3, в таком МЭУ топливного элемента на обе стороны электролитной мембраны 210, имеющей определенную толщину и прямоугольную площадь, нанесен соответственно каталитический слой 221, 231, а на каталитический слой 221, 231 нанесен соответственно покрывающий слой 222, 232. Каталитический слой 221 и покрывающий слой 222, сформированные на одной стороне электролитной мембраны 210, составляют топливный электрод, а каталитический слой 231 и покрывающий слой 232, сформированные на другой стороне электролитной мембраны 210, составляют воздушный электрод.

В этой конструкции, когда топливо и воздух протекают соответственно через открытые выемки 110, 120, при осуществлении реакций окисления и восстановления на топливном электроде 220 и воздушном электроде 230 МЭУ реакция топлива активизируется благодаря каталитической реакции каталитического слоя 221, и ионы водорода перемещаются к воздушному электроду 230 через электролитную мембрану 210. При этом, когда используют топливо, в котором в щелочном водном растворе растворен водородообразующий агент, такой как NaBH₄, KBH₄, LiAlH₄, KH и NaH и т.д., поскольку это топливо является раствором электролита, электроны, генерируемые вместе с ионами водорода, движутся к воздушному электроду 230 через раствор электролита и биполярную пластину 100.

Однако в такой обычной конструкции, когда ионы водорода, генерируемые благодаря каталитической реакции каталитического слоя 221 топливного электрода 220, движутся к воздушному электроду 230 через покрывающий слой 222, каталитический слой 221 и электролитную мембрану 210, из-за того, что на электролитную мембрану 210 нанесен каталитический слой 221 топливного электрода 220, этот нанесенный каталитический слой 221 препятствует движению ионов водорода к воздушному электроду 230 через электролитную мембрану 210, ионное действие (каталитическое действие) активно только на одной стороне каталитического слоя 221, и в противоположность этому ионное действие не происходит на стороне, контактирующей с электролитной мембраной 210, и соответственно эффективность генерирования тока снижается.

Техническая сущность настоящего изобретения

Для решения указанной выше проблемы целью настоящего изобретения является создание МЭУ (мембранно-электродного узла) топливного элемента, способного улучшить эффективность генерирования тока посредством промотирования реакций окисления и восстановления, происходящих на топливном электроде, к которому подают топливо, и на воздушном электроде, к которому подают воздух.

Для достижения указанной выше цели МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением включает в себя электролитную мембрану в качестве среды переноса ионов, расположенную между биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на топливной стороне, по которой протекает топливо, и биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на воздушной стороне, по которой протекает воздух, таким образом, что с помощью открытой выемки на топливной стороне формируется канал для топлива, а с помощью открытой выемки на воздушной стороне формируется канал для воздуха; и каталитический электрод, вставленный в открытую выемку на топливной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны, для формирования канала для топлива с обеих сторон от него и содействия реакции с топливом.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения лучшего понимания изобретения, входят в состав и составляют часть этого описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

фиг.1 представляет собой вид в сечении, показывающий топливный элемент в целом;

фиг.2 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, показывающий топливный элемент в целом;

фиг.3 представляет собой вид в сечении, показывающий МЭУ (мембранно-электродный узел) топливного элемента в соответствии с предшествующим уровнем техники;

фиг.4 представляет собой вид в сечении, показывающий МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 представляет собой вид в перспективе, показывающий каталитический электрод МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.6 и 7 представляют собой виды в перспективе, соответственно показывающие модификации каталитического электрода МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением; и

фиг.8 представляет собой вид в сечении, показывающий рабочее состояние МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой вид спереди в сечении, показывающий МЭУ (мембранно-электродный узел) топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.4, МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением включает в себя электролитную мембрану 500 в качестве среды переноса ионов, расположенную между биполярной пластиной 400, имеющей открытую выемку 410 на топливной стороне, по которой протекает топливо, и биполярной пластиной 400, имеющей открытую выемку 420 на воздушной стороне, по которой протекает воздух, таким образом, что с помощью открытой выемки 410 на топливной стороне формируется канал для топлива, а с помощью открытой выемки 420 на воздушной стороне формируется канал для воздуха; и каталитический электрод 510, вставленный в открытую выемку 410 на топливной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны 500, для формирования канала для топлива с обеих сторон от него и содействия электрохимической реакции с топливом.

В случае биполярной пластины 400 на одной стороне прямоугольной пластины 430, имеющей определенную площадь, сформирована открытая выемка 410 на топливной стороне, имеющая определенные глубину и площадь, в этой пластине 430 сформированы впускной канал 440 и выпускной канал 450, через которые топливо втекает в открытую выемку 410 на топливной стороне и вытекает из нее, и в этой пластине 430 сформированы выпускной канал 470, по которому воздух втекает в открытую выемку 420 на воздушной стороне и вытекает из нее. Открытая выемка 410 на топливной стороне, впускной канал 460 и выпускной канал 450 имеют такую же самую конфигурацию, как и открытая выемка 420 на воздушной стороне, впускной канал 460 и выпускной канал 470.

Дно открытой выемки 410 на топливной стороне является плоским. Кроме того, в качестве модификации на дне открытой выемки 410 на топливной стороне может быть сформирован прямой канал.

Электролитная мембрана 500 сформирована в виде листового металла и имеет размеры, подобные размерам биполярной пластины 400.

Электролитная мембрана 500 расположена между двумя биполярными пластинами 400.

Канал для топлива, по которому протекает топливо, сформирован открытой выемкой 410 на топливной стороне одной биполярной пластины 400 из пары пластин и одной стороной электролитной мембраны, обращенной к открытой выемке 410 на топливной стороне, а канал для воздуха, по которому протекает воздух, сформирован открытой выемкой 420 на воздушной стороне другой биполярной пластины из упомянутой пары и другой стороной электролитной мембраны 500.

Каталитический электрод 510 сформирован таким образом, что он имеет определенные толщину и площадь. Каталитический электрод 510 вставлен в канал для топлива, сформированный электролитной мембраной 500 и открытой выемкой 410 на топливной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны 500. Благодаря вставке каталитического электрода 510 в открытую выемку 410 на топливной стороне канал для топлива, сформированный открытой выемкой 410 на топливной стороне и электролитной мембраной 500, имеет проходы по обе стороны относительно расположенного по центру каталитического электрода 510.

В модифицированном варианте каталитического электрода 510, показанном на фиг.5, каталитический электрод 510 сформирован в гофрированной конфигурации и имеет определенные толщину и площадь с тем, чтобы увеличить площадь контакта с топливом. Каталитический электрод 510 имеет определенную толщину и сечение, в котором соединяются обращенные вверх и вниз полусферы, и в сечении сформированы гофры в продольном направлении. Кроме того, на обоих концах или внутри каталитического электрода 510 могут быть сформированы многочисленные сквозные отверстия (Н).

В другом модифицированном варианте каталитического электрода 510, показанном на фиг.6, каталитический электрод 510 сформирован в складчатой конфигурации, имеющей определенную толщину и площадь, для увеличения площади контакта с топливом. Каталитический электрод 510 имеет определенную толщину, причем его сечение имеет пилообразную форму, и складки в сечении сформированы в продольном направлении. Кроме того, на обоих концах или внутри каталитического электрода 510 могут быть сформированы многочисленные сквозные отверстия (Н).

В еще одном модифицированном варианте каталитического электрода 510, показанном на фиг.7, его сечение имеет прямоугольную форму в продольном направлении. Кроме того, на обоих концах или внутри каталитического электрода 510 могут быть сформированы многочисленные сквозные отверстия (Н).

Каталитический электрод 510 выполнен из волокнистого материала, более конкретно из никелевого микроволокнистого материала.

В другом варианте осуществления изобретения каталитический электрод 510 может быть выполнен из сплава-аккумулятора водорода.

Предпочтительно, чтобы топливо было раствором электролита, содержащим водородообразующий агент.

Воздушный электрод 520 в открытой выемке 420 на воздушной стороне приклеен к электролитной мембране 500. Более конкретно, как и в обычной конструкции, для расположения воздушного электрода 520 в открытой выемке 420 на воздушной стороне каталитический слой 521, на который нанесен катализатор, и покрывающий слой 522 для накрывания каталитического слоя 521 сформированы на одной стороне электролитной мембраны 500.

Воздушный электрод 520 может быть изготовлен отдельно и вставлен в открытую выемку 420 на воздушной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны 500.

Дно открытой выемки 410 на топливной стороне является плоским.

Биполярные пластины 400 и электролитная мембрана 500 объединены дополнительным средством объединения, и при этом биполярных пластин 400 может быть две (пара) или не менее двух. Когда применяют пару биполярных пластин 400, открытую выемку 410 на топливной стороне, впускной канал 440 и выпускной канал 450 формируют на одной стороне биполярной пластины 400, а открытую выемку 420 на воздушной стороне, впускной канал 460 и выпускной канал 470 формируют на одной стороне другой биполярной пластины 400.

Далее будет описана работа МЭУ топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Будет описан случай использования топлива, в котором в водном щелочном растворе растворен водородообразующий агент, такой как NaBH₄, KBH₄, LiAlH₄, KH и NaH и т.д. Когда топливо поступает во впускной канал 440 биполярной пластины 400, одновременно с этим воздух поступает во впускной канал 460 другой биполярной пластины 400.

Топливо, поступающее во впускной канал 440, протекает по каналу для топлива, сформированному открытой выемкой 410 на топливной стороне и электролитной мембраной 500, контактируя при этом с обеими сторонами каталитического электрода 510, вставленного в открытую выемку 410 на топливной стороне, то есть со всей поверхностью каталитического электрода 510. В данном случае, когда при помощи каталитического электрода 510 в топливе происходит электрохимическая реакция окисления, генерируются ионы водорода и электроны, при этом электроны движутся к воздушному электроду 520, и ионы водорода движутся к воздушному электроду через топливо как электролит и электролитную мембрану 500.

Одновременно, когда воздух, поступающий во впускной канал 460, протекает по каналу для воздуха, сформированному открытой выемкой 420 на воздушной стороне и электролитной мембраной 500, на воздушном электроде 520 электролитной мембраны 500 происходит электрохимическая реакция восстановления с участием ионов водорода и кислорода.

Топливо, проходящее по каналу для топлива, выходит по выпускному каналу 450, а воздух, проходящий по каналу для воздуха, выходит по выпускному каналу 470 на воздушной стороне, при этом топливо, проходящее по выпускному каналу 450 на топливной стороне, втекает во впускной канал 440 с помощью дополнительного устройства, и процесс циркуляции повторяется.

В ходе данного процесса, как показано на фиг.8, благодаря тому, что каталитический электрод 510 отделен от электролитной мембраны 500 и находится в открытой выемке 410 на топливной стороне, в контакт с топливом приводятся обе стороны каталитического электрода 510, то есть вся площадь каталитического электрода 510, и соответственно каталитическое действие может оказываться на большей площади. Более того, поскольку каталитический электрод 510 отделен от электролитной мембраны 500 и находится в открытой выемке 410 на топливной стороне, ионы водорода, генерируемые каталитическим электродом 510, могут двигаться к воздушному электроду через всю площадь электролитной мембраны 500 без помех со стороны ионов водорода, генерируемых каталитическим электродом 510, и соответственно область переноса ионов водорода может быть увеличена.

И, наконец, когда каталитический электрод 510 сформирован в гофрированной конфигурации или в складчатой конфигурации, площадь контакта между каталитическим электродом 510 и топливом увеличивается. Кроме того, когда каталитический электрод 510 сформирован в гофрированной конфигурации или в складчатой конфигурации, гофрами или складками формируется канал, по которому протекает топливо, и поэтому нет необходимости в формировании дополнительного канала на дне открытой выемки 410 на топливной стороне.

Промышленная применимость

Поскольку, как описано выше, в МЭУ (мембранно-электродном узле) топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением каталитическая реакция происходит при увеличенной площади контакта между топливом и каталитическим электродом, на котором протекает электрохимическая реакция окисления, генерирование ионов может быть активизировано, область, в которой ионы водорода движутся к воздушному электроду, то есть область на электролитной мембране, увеличивается, подвижность ионов водорода увеличивается, реакция на воздушном электроде может быть активизирована в большей степени, и соответственно эффективность генерирования электроэнергии может быть улучшена.

Изобретение относится к топливным элементам, в частности к МЭУ (мембранно-электродному узлу). Техническим результатом изобретения является улучшение эффективности генерирования тока в топливном элементе. Согласно изобретению МЭУ включает в себя воздушный электрод, электролитную мембрану в качестве среды переноса ионов, расположенную между биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на топливной стороне, по которой протекает топливо, и биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на воздушной стороне, по которой протекает воздух, таким образом, чтобы сформировать канал для топлива с помощью открытой выемки на топливной стороне и сформировать канал для воздуха с помощью открытой выемки на воздушной стороне, и каталитический электрод, вставленный в открытую выемку на топливной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны для формирования канала для топлива с обеих сторон от него и содействия электрохимическому окислению топлива за счет активизирующего действия, происходящего на топливном электроде, к которому подается топливо, и воздушном электроде, к которому подается воздух. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. МЭУ (мембранно-электродный узел) топливного элемента, содержащий: воздушный электрод, электролитную мембрану в качестве среды переноса ионов, расположенную между биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на топливной стороне, по которой протекает топливо, и биполярной пластиной, имеющей открытую выемку на воздушной стороне, по которой протекает воздух, таким образом, что с помощью открытой выемки на топливной стороне формируется канал для топлива, а с помощью открытой выемкой на воздушной стороне формируется канал для воздуха; и каталитический электрод, вставленный в открытую выемку на топливной стороне таким образом, что он отделен от электролитной мембраны, для формирования канала для топлива с обеих сторон от него и содействия реакции с топливом.2. МЭУ по п.1, в котором каталитический электрод сформирован в гофрированной конфигурации, имеющей определенную толщину и площадь, для увеличения тем самым площади контакта с топливом.3. МЭУ по п.2, в котором каталитический электрод имеет определенную толщину и сечение, в котором соединяются обращенные вверх и вниз полусферы.4. МЭУ по п.1, в котором каталитический электрод сформирован в складчатой конфигурации, имеющей определенную толщину и площадь, для увеличения тем самым площади контакта с топливом.5. МЭУ по п.4, в котором каталитический электрод имеет определенную толщину и имеет сечение, сформированное в пилообразной конфигурации.6. МЭУ по п.4, в котором каталитический электрод имеет определенную толщину и сечение, сформированное в прямоугольной конфигурации в продольном направлении.7. МЭУ по п.1, в котором каталитический электрод выполнен из волокнистого материала.8. МЭУ по п.1, в котором каталитический электрод выполнен из никелевого микроволокнистого материала.9. МЭУ по п.1, в котором топливо представляет собой раствор электролита, содержащий водородообразующий агент.10. МЭУ по п.1, в котором каталитический электрод выполнен из сплава-аккумулятора водорода.11. МЭУ по п.1, в котором воздушный электрод, расположенный в открытой выемке на воздушной стороне, прикреплен к электролитной мембране или отделен от нее.