ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ КАПИЛЛЯРОВ Российский патент 2009 года по МПК H01M8/10 

Настоящее изобретение относится к топливному элементу, прежде всего к метаноловому топливному элементу прямого действия.

Известно, что для повышения мощности топливных элементов необходимо соединять параллельно или последовательно используемые в них электрогенерирующие микрореакторы. Так, например, в публикации WO 00/54358 описана конструкция таких модулей топливных элементов, в каждом из которых в одной плоскости и в рамке расположено множество отдельных микрореакторов, соединенных последовательно. При этом выполненные в виде катодов поверхности отдельных электродов соприкасаются непосредственно друг с другом, а расположенные коаксиально внутри на торце модуля аноды отдельных микрореакторов соединены друг с другом.

Отдельные такие модули, в свою очередь, можно соединять в ряд и/или последовательно.

Еще одно устройство собранных пучками микрореакторов, обеспечивающее повышение мощности и также выполненное коаксиальной (соосной) конструкции, описано в публикации WO 03/005466. Как вариант, в этой публикации рассматривается замена таких микрореакторов микрореакторами с общим наружным электродом, благодаря чему в принципе сохраняется их коаксиальное расположение.

Благодаря коаксиальной конструкции этих микрореакторов создаваемый электрический потенциал обычно снимается с осевого конца подобного микрореактора. В результате длина микрореактора определяет и его электрическую мощность.

Если в качестве микрореакторов использовать, в частности, так называемые трубчатые пакеты, механическая стабильность обычно остается низкой, и по этой причине длина подобного микрореактора ограничена, а значит - выход мощности или снимаемое напряжение соответственно остаются низкими.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать топливный элемент, который обеспечивал бы высокий выход мощности при конструктивно простом исполнении в сочетании с малой себестоимостью.

Указанная задача решается в топливном элементе, снабженном множеством капилляров, выполненных с возможностью притока к ним и/или протекания через них компонента топлива и имеющих по одному электроду, и отличающемся согласно пункту 1 формулы изобретения тем, что капилляры расположены в граничащих друг с другом секциях пучками, каждый из которых находится внутри реакционной камеры, электрод выведен с обоих концов каждого капилляра, электроды капилляров секции электрически соединены на обоих концах, имея по существу один и тот же потенциал, а по меньшей мере один участок стенки каждой секции снабжен противоэлектродом или по меньшей мере частично образует его.

Предлагаемый в изобретении топливный элемент обладает рядом преимуществ. Прежде всего мощность топливного элемента определяется количеством секций, которые обычно выполнены однотипными, как в серийном производстве. При этом существенное значение имеет отказ от коаксиальной конструкции известных микрореакторов, благодаря чему длина капилляров уже не является определяющей для разности потенциалов между первым и вторым электродами. Напротив, каждый капилляр имеет лишь один электрод, на обоих концах параллельно соединенный с соответствующими электродами остальных капилляров одной секции. Благодаря этому на конце капилляров на электродах возникают по существу одни и те же электрические потенциалы относительно противоэлектрода, который выполнен на участке стенки каждой секции или образован таким участком и может иметь практически любую конфигурацию.

Секции могут иметь в поперечном сечении любую форму, например прямоугольную или треугольную. В предпочтительном варианте секции выполнены в поперечном сечении как круговые секторы, чем обеспечено получение исключительно компактной конструкции, в особенности располагаемой внутри цилиндрического корпуса.

Для повышения напряжения по сравнению с тем, что выдает одна секция, можно предусмотреть подключение электродов капилляров одной секции к противоэлектроду соседней секции в соответствии со схемой последовательного соединения.

В другом варианте для повышения мощности можно предусмотреть соединение электродов всех капилляров топливного элемента на концах в соответствии со схемой параллельного соединения.

Кроме того, целесообразно предусмотреть возможность задания соединения, параллельного или последовательного, с помощью переключателя, прежде всего электронного переключателя. Благодаря этим мерам можно заметно расширить возможности применения предлагаемого в изобретении топливного элемента.

В конструктивном оформлении можно предусмотреть вариант, в котором каждая секция имеет собственные, выполненные для нее, стенки, которые в поперечном сечении проходят замкнутым кольцом, охватывая электроды и таким образом образуя две отстоящих друг от друга разделительные перегородки между двумя соседними секциями. Эти стенки, будучи электропроводными, могут также использоваться в качестве противоэлектрода. Благодаря наличию промежутка между стенками электрическая изоляция обычно не требуется. Однако выполнение двух отстоящих друг от друга разделительных перегородок между двумя соседними секторами всегда может быть целесообразным в том случае, если между этими разделительными перегородками должна быть создана неактивная зона электролита. Подобные разделительные перегородки, преимущественно неэлектропроводные, обычно имеют выполненный отдельно противоэлектрод.

Согласно другому варианту имеется возможность выполнять соседние секции с общей разделительной перегородкой, обычно выполненной в середине из электроизоляционного материала.

Еще одно преимущество заключается в том, что разделительные перегородки могут быть выполнены негерметичными, вплоть до того, что в них могут быть выполнены сквозные отверстия, которые, в частности при использовании двух разделительных перегородок, выполняются соответствующими друг другу, располагаясь непосредственно друг напротив друга. Таким образом устраняется необходимость в реализации сложных мер по обеспечению герметичности при наличии общих разделительных перегородок, и становится возможным также обмен электролита или иного вещества между секциями.

Кроме того, в конструкции предлагаемого в изобретении топливного элемента предпочтительно, чтобы общая для двух соседних секций разделительная перегородка имела с каждой стороны противоэлектрод - по одному на каждую секцию. Таким образом, каждая секция, имеющая в поперечном сечении форму кругового сектора, будет иметь два противоэлектрода, расположенных друг напротив друга под углом.

В конструктивном исполнении подобный противоэлектрод имеет несущий лист, покрытый решетчатым носителем для катализатора. Подобный решетчатый носитель может представлять собой тянутый металл, металлическую сетку, металлическую ткань или любой сравнимый с ними пористый материал, на котором или в котором легко удерживается катализатор с кристаллической структурой.

Аналогично этому носителю капилляр также предпочтительно имеет решетчатую сердцевину, покрытую катализатором и охваченную кольцевой мембраной. Однако при выполнении капилляра возможны многочисленные варианты, которые описаны также, например, в публикации WO 02/15318.

Сердцевина, несущий лист и/или решетчатый носитель выполнены, в частности, из титана.

В одном из вариантов выполнения топливного элемента капилляры, будучи открытыми и свободно доступными с концов, могут быть выполнены проточными для газа. Это означает, что концы капилляров проходят через стенки корпуса, торцевые пластины или иные подобные элементы, ограничивающие с обеих сторон реакционные камеры секций, и остаются перед ними в открытом виде.

В другом предпочтительном варианте выполнения топливного элемента капилляры могут быть выполнены проточными для воздуха, и с одного конца капилляров корпус образует нагнетательную полость, в которой капилляры заканчиваются открытыми концами и в которую вентилятор подает атмосферный воздух. Хотя в принципе газ как компонент топлива можно прогонять через капилляры под высоким давлением, подобный компонент топлива, находящийся под давлением, имеется в наличии не везде. С учетом необходимости обеспечить как можно более простое применение и минимальную стоимость преимущество предлагаемого в изобретении топливного элемента заключается в том, что для его функционирования вполне достаточной для направленного пропускания воздуха через капилляры оказывается малая разность давлений, создаваемая вентилятором.

В следующем варианте выполнения топливного элемента между соседними ребрами или вершинами в углах секций может быть предусмотрена общая закрытая на конце питающая труба для подачи компонента топлива, имеющая в реакционных камерах секций сквозные отверстия для выхода компонента топлива. Благодаря питающей трубе обеспечивается центральная подача компонента топлива в несколько или даже во все реакционные камеры топливного элемента, при этом питающая труба также по меньшей мере частично ограничивает подобную реакционную камеру, в частности, по меньшей мере частично образуя его ребра или вершины в углах.

Аналогичным образом выполнена выпускная труба, имеющая в реакционных камерах секций сквозные отверстия для входа газообразного остаточного продукта сгорания и выходящая наружу топливного элемента. Выпускную трубу также целесообразно располагать по центру и выполнять ее, в частности, как продолжение питающей трубы. Однако обе трубы, естественно, изолированы друг от друга.

Гарантировать поступление компонента топлива в реакционные камеры можно в варианте, где к питающей трубе присоединен по меньшей мере один насос, который размещен в насосной полости корпуса, противолежащей нагнетательной полости, благодаря чему реакционные камеры находятся между нагнетательной и насосной полостями. Степень повышения давления внутри питающей трубы с помощью насоса следует задавать таким образом, чтобы гарантировать поступление компонента топлива в реакционные камеры. Этот насос целесообразно размещать в насосной полости корпуса, противолежащей нагнетательной полости, благодаря чему конструкция предлагаемого в изобретении топливного элемента отличается исключительной компактностью и имеет вытянутую в продольном направлении форму.

Если компонент топлива, подаваемый через питающую трубу в реакционные камеры, представляет собой горючую смесь, то ее отдельные компоненты можно подавать в питающую трубу соответствующими насосами, регулируемыми управляющим устройством с обеспечением оптимизации содержания отдельных компонентов в горючей смеси. При этом имеется в виду прежде всего горючая смесь из воды и метанола, а предлагаемый в изобретении топливный элемент предпочтительно функционирует как метаноловый топливный элемент прямого действия.

Для реализации концепции малозатратного в производстве и экономичного в эксплуатации топливного элемента последний целесообразно выполнять с расчетом на его установку для работы таким образом, чтобы капилляры располагались вертикально, а нагнетательная полость находилась сверху. Благодаря этому решению предлагаемый в изобретении топливный элемент практически как открытая система, что позволяет отказаться от обеспечения герметичности многих соединений. В частности, в таком режиме работы с использованием силы тяжести можно также выходящую из капилляров жидкую фазу, например конденсационную влагу или иную текучую среду, а также при необходимости продукт сгорания можно собирать в расположенной снизу приемной полости и отводить или при необходимости после предварительной обработки можно также направлять для повторного использования в процессе сгорания.

В особом варианте выполнения топливного элемента как метанолового топливного элемента прямого действия реакционные камеры заполнены кислым метанолом, но при этом предпочтительно, чтобы над уровнем жидкого кислого метанола оставалось свободное пространство, в котором может накапливаться газообразный продукт сгорания, например СО₂, отводимый наружу из этого пространства через выпускную трубу. Соответственно уровень заполнения реакционных камер контролируется датчиками уровня, благодаря чему надежно обнаруживаются слишком высокий и слишком низкий уровни заполнения. При регистрации одного из этих событий целесообразно прекращать процесс сгорания в топливном элементе.

В еще одном конструктивном варианте выполнения топливного элемента предусмотрено располагать секции внутри цилиндрического корпуса, который закрыт в осевом направлении торцевыми пластинами, через которые проходят капилляры. При этом следует учитывать, в частности, то, что торцевыми пластинами также обеспечивается электрическое соединение электродов капилляров. Кроме того, целесообразно предусмотреть также возможность снабжения торцевых пластин, фиксирующих разделительные перегородки секций, разделительными стержнями, между которыми находится вставка, через которую проходят капилляры расположенной под ней секции. Равным образом вставка может удерживать в заданном положении отдельно выполненные стенки секций, например, прижимая их разделительным стержнем, а электрические контактные элементы противоэлектродов выведены из секций наружу предпочтительно через торцевые пластины и таким же образом соединены этими торцевыми пластинами.

Для фиксации разделительных перегородок между двумя секторами торцевые пластины на своих сторонах, которые закрывают реакционные камеры в осевом направлении, предпочтительно имеют пазы под разделительные перегородки. Таким образом без существенных конструктивных мероприятий обеспечено надежное крепление разделительных перегородок. Как указано выше, отпадает необходимость в последующем обеспечении герметичности соединений.

Кроме того, для вывода электрических контактных элементов противоэлектродов из реакционных камер секторов дополнительно можно предусмотреть у разделительной перегородки два выступающих, с обеих сторон снабженных выступом несущего листа контактных элемента, проходящих через обе торцевые пластины, закрывающие корпус в осевом направлении.

Конструктивно корпус снабжен фланцами для присоединения корпуса нагнетательной полости и расположенных с противоположной стороны полостей. За счет применения корпуса нагнетательной полости, выполненного в виде колпачка, можно простым путем обеспечить герметичность нагнетательной полости по отношению к окружающей среде. С противоположной стороны при соответствующем исполнении фланцевых соединений можно также присоединить дополнительные полости в требуемом количестве, а при необходимости и другие предлагаемые в изобретении топливные элементы.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых варианты осуществления изобретения показаны лишь схематично. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:

на фиг.1 - первый вид секторов,

на фиг.2 - вид в сечении плоскостью II-II на фиг.1,

на фиг.3 - вид по стрелке III на фиг.1,

на фиг.4 - выносной элемент IV, обозначенный на фиг.3,

на фиг.5 - топливный элемент в разобранном виде, иллюстрирующем компоновку секций, показанных на фиг.1,

на фиг.6 - вид секций в аксонометрии,

на фиг.7 - первый вид снаружи предлагаемого в изобретении топливного элемента во втором варианте его выполнения,

на фиг.8 - вид по стрелке VIII на фиг.7,

на фиг.9 - вид в разрезе плоскостью IX-IX на фиг.8,

на фиг.10 - вид в разрезе плоскостью Х-Х на фиг.7,

на фиг.11 - упрощенный вид средств крепления капилляров в аксонометрии,

на фиг.12 - общая для двух секторов разделительная перегородка,

на фиг.13 - вид в аксонометрии корпуса, в котором располагаются секторы, при взгляде на торцевую пластину,

на фиг.14 - вид в горизонтальном разрезе секторов топливного элемента в еще одном варианте выполнения,

на фиг.15 - еще один вид в горизонтальном разрезе нагнетательной полости топливного элемента в последнем варианте выполнения.

На фиг.1 показан цилиндрический корпус 1, в котором располагаются шесть однотипно граничащих друг с другом секций 2-7 с множеством капилляров 8, выполненных с возможностью притока к ним и/или протекания через них компонента топлива и расположенных пучками (см. фиг.3).

В данном случае капилляры 8 имеют радиально внутри определенный профиль, в данном случае профиль 9 трилистника (треф), окруженный используемой в качестве электрода 10 решетчатой структурой, которая, в свою очередь, радиально снаружи снабжена катализатором 11. Конструкцию капилляра 8 завершает расположенная снаружи по радиусу мембрана 12. Поскольку профиль 9 выполнен из электропроводного материала, подкрепляющего капилляр 8, прежде всего из металла, преимущественно такого как титан, электрический потенциал можно снимать на решетчатой структуре, как и на самом профиле 9, используемых в качестве выведенного с обоих концов электрода 10.

Электроды 10, а в рассматриваемом случае - также профили 9 каждой секции 2-7, электрически соединены на обоих концах по параллельной схеме, имея по существу один и тот же потенциал, как это показано, например, на фиг.3 применительно к секциям 3, 5 и 7.

В первом варианте осуществления изобретения каждая секция 2-7 имеет выполненные для нее стенки 13-18, кольцом охватывающие в показанном на фиг.3 виде капилляры 8 соответствующей секции 2-7, в результате чего образуются две отстоящие друг от друга разделительные перегородки 19, 20, например, между секциями 5 и 6 (см. фиг.6).

Сами электропроводные стенки 13-18 образуют противоэлектроды, а на фиг.3 показано, что параллельно соединенные электроды 10 капилляров 8 секций 3, 5, 7 подключены к контактным перемычкам стенок 13, 15, 17 соответствующей соседней секции 2, 4 и 6, выполненных в качестве противоэлектродов.

Корпус 1 с обоих концов закрыт в осевом направлении торцевыми пластинами 21, 22, через которые проходят капилляры 8, концы которых остаются открытыми и свободно доступными. Торцевые пластины 21, 22, выполненные однотипными, охватывают разделительные перегородки 19, 20 между соседними секциями 5, 6, фиксируя в требуемом положении, и также снабжены спицеобразно расположенными (радиально расходящимися) разделительными перемычками 23, 24. Стенка 16, расположенная между разделительными перемычками 23, 24 и наружным кольцом торцевой пластины 21, проходит через торцевую пластину 21 и точно подогнана к ней. Расположенная под ней реакционная камера закрывается вставкой 25, закрепляющей проходящие через нее капилляры 8.

Торцевые пластины 21, 22 удерживают стенки 13-18 секций 2-7 на определенном расстоянии от внутренней стенки 96 корпуса 1. Кроме того, обе выполненные между отдельными секциями 2-7 разделительные перегородки 26, 27, а также остальные стенки (см. фиг.5) снабжены предпочтительно расположенными друг напротив друга сквозными отверстиями 28, 29, что практически обеспечивает перетекание электролита внутри корпуса 1 и секций 2-7.

Ниже со ссылкой на фиг.7-13 более подробно рассмотрен один из предпочтительных вариантов выполнения топливного элемента, представляющего собой в данном случае, например, метаноловый топливный элемент прямого действия.

Топливный элемент 30, показанный на фиг.7, выполнен по существу цилиндрической формы. Реакция протекает внутри цилиндрического корпуса 31 (см. также фиг.13), снабженного на концах фланцами 32, 33 для дополнительных присоединяемых деталей.

В топливном элементе 30 также имеется множество капилляров 34, собранных пучками в шести секциях 35-40 (см. фиг.11). Однотипные капилляры 34 имеют витую центральную жилу, используемую в качестве электрода 41, однако предпочтительно использовать трубчатый электрод, оболочка которого выполнена решетчатой, покрыта катализатором и предпочтительно выполнена из тянутого титанового сплава или ткани из титановых волокон. В заключение электрод охвачен кольцевой мембраной 42. В представленном варианте выполнения метанолового топливного элемента прямого действия этот электрод представляет собой катод.

Согласно этому варианту центральные жилы капилляров 34 в качестве электродов 41 электрически соединены на обоих концах по параллельной схеме, имея по существу один и тот же потенциал.

Как вариант, может быть предусмотрено параллельное электрическое соединение электродов 41 одной секции 35-40 на обоих концах и их подключение к соответствующим противоэлектродам той же самой секции, которые в рассматриваемой конструкции топливного элемента представляют собой аноды.

При этом было установлено, что для соединения электродов целесообразно предусмотреть переключатель, прежде всего электрический/электронный переключатель, что позволяет свободно регулировать напряжение или мощность за счет последовательного или параллельного соединения электродов.

Секции 35-40 отделены друг от друга общими для соседних секций спицеобразно расположенными (радиально расходящимися) разделительными перегородками 43, 44 (см. фиг.9), при этом принимать меры по обеспечению герметичности не требуется.

Показанная на фиг.12 разделительная перегородка 45 снабжена с обеих сторон одинаково выполненными противоэлектродами 46, 47, расположенными на неэлектропроводной основе или сердцевине 58. Противоэлектрод 46 имеет расположенный на несущем листе 48 решетчатый носитель 49 для катализатора, изготовленный прежде всего из тянутого металла или ткани из титановых волокон.

Таким образом, пучок капилляров 34 каждой секции 35-40 находится между двумя противоэлектродами, расположенными под углом напротив друг друга.

Для электрического соединения противоэлектродов 46, 47 разделительные перегородки 45 имеют контактные элементы 52, 53, расположенные с противоположных концов, выступающие в осевом направлении и с обеих сторон имеющие выступ 50, 51 несущего листа 48. Разделительные перегородки 45 закреплены вместе с капиллярами 34 в торцевых пластинах 54, 55 и проходят через них. Кроме того, для крепления разделительных перегородок 45 в торцевых пластинах 54, 55 выполнены пазы 56, 57, радиально расходящиеся наподобие спиц. Контактные элементы 53 электродов 46, 47 выведены наружу через прямоугольные сквозные отверстия 59 (см. фиг.11).

Как показано на фиг.9 и 10, на которых топливный элемент изображен в разрезе, капилляры 34 также проходят через торцевые пластины 54, 55 и выступают из них открытыми концами. Выполненные в виде листов головные элементы 93, 94 обеспечивают соединение электродов 41 и/или контактных элементов противоэлектродов (см. контактные элементы 86-89 разделительных перегородок 43, 44 на виде в разрезе, показанном на фиг.9).

Через открытые с концов капилляры 34 может проходить газ, в данном случае - воздух. С целью обеспечить надежное прохождение газа в зоне верхних концов капилляров выполнена нагнетательная полость 60. В рассматриваемом варианте вентилятор 61, расположенный под отверстием 80 в корпусе 81 нагнетательной полости, создает в нагнетательной полости 60 избыточное, хотя и невысокое, давление по сравнению с атмосферным. Однако этого избыточного давления вполне хватает для обеспечения прохождения воздуха через капилляры 34, который после этого попадает в полость 62 и через сквозные отверстия 63 корпуса 64 выходит в атмосферу. Корпус 81 нагнетательной полости выполнен в виде колпачка и плотно прижат к верхнему фланцу 32 корпуса 31, при этом можно также предусмотреть применение для обеспечения плотного соединения необходимого для него уплотнительного кольца 95 круглого сечения.

Кроме того, полость 62 может выполнять функцию приемной полости для выходящей из капилляров 34 жидкой фазы 65, в данном случае, например, конденсационной влаги, а также для возможного продукта сгорания - в топливном элементе, выполненном в ином варианте. Для этого при необходимости под полостью 62 можно также предусмотреть дополнительную сборную полость. Конденсационную влагу можно отводить или согласно другому варианту при необходимости после предварительной обработки направлять для повторного использования в качестве компонента топлива в процессе сгорания.

В топливном элементе 30 применяется собственно горючая смесь, состоящая из воды и метанола. Эта горючая смесь подается через общую, завершающуюся замкнутым концом питающую трубу 66 в реакционные камеры 68, 69 секций, для чего питающая труба 66 имеет сквозные отверстия 67 и располагается около вершин в углах секций. Реакционные камеры 68, 69 заполнены кислым метанолом 70, 71, используемым в качестве электролита. С целью обеспечить надежную подачу горючей смеси в реакционные камеры 68, 69 для каждого компонента топлива - воды и метанола - предусмотрено по одному насосу 72, 73, расположенному в насосной полости 75. При подаче метанола снаружи через присоединительный патрубок 74 в систему для использования в процессе сгорания может подаваться жидкая фаза 65, например вода, прежде всего именно вода из отдельно выполненной емкости, расположенной, например, в полости 76.

Насосная полость 75 расположена напротив нагнетательной полости 60, вследствие чего между этими обеими полостями 75, 60 располагается корпус 31 вместе с находящимися в нем реакционными камерами.

Расположенное еще в одной полости 77 и в дальнейшем не рассматриваемое управляющее устройство может поддерживать оптимальное содержание отдельных компонентов - в данном случае воды и метанола - в горючей смеси путем регулирования работы насосов 72, 73.

Полости 62, 75, 76 и 77 входят друг в друга по типу коробок и с помощью торцевой плиты 78, в данном случае на четырех винтах 79, соединены с нижним фланцем 33 корпуса 31. В соответствии с принципом создания конструкции к корпусу топливного элемента можно присоединять другие полости или вентилятор(-ы) для охлаждения электронных компонентов управляющего устройства. При необходимости можно также присоединить еще один топливный элемент, но при этом необходимо обеспечить достаточный промежуток между ними, благодаря которому воздух мог бы поступать через сквозное отверстие 79 в корпусе 81 в находящуюся в нем нагнетательную полость 60.

Топливный элемент 30 выполнен с таким расчетом, что во время его работы капилляры должны быть расположены вертикально, а нагнетательная полость 60 должна находится сверху. Поскольку кислый метанол 70, 71 заполняет реакционные камеры 68, 69 не до самой торцевой пластины 54, над кислым метанолом 70, 71 остается свободное пространство соответственно 82, 83. В этих свободных пространствах 82, 83 скапливаются газообразные продукты реакции, в данном случае в виде СО₂, выпускаемые в окружающую среду через имеющую сквозные отверстия 85 выпускную трубу 84.

Как показано на фиг.9 и 10, на которых топливный элемент изображен в разрезе, выпускная труба 84 продолжает питающую трубу 66, расположенную по центру между соседними вершинами в углах секций, и стенки питающей трубы 66, а также выпускной трубы 84 образуют часть обрамления реакционных камер 67, 68. Однако между общими разделительными перегородками 43, 44 и питающей трубой 66 или выпускной трубой 84 также не требуется выполнять никакого особого уплотнения.

Кроме того, для обеспечения надежной работы топливного элемента 30 предусмотрены датчики 91-93 уровня, контролирующие уровень заполнения реакционных камер 68, 69 метанолом 70, 71. Поскольку разделительные перегородки 43, 44 используются в "негерметичном" исполнении, вполне достаточно контролировать уровень заполнения одной единственной реакционной камеры 68. Таким образом гарантируется сохранение свободных пространств 83, 84 над кислым метанолом 70, 71, соответственно обеспечен достаточный уровень заполнения. При переходе через ту или иную границу уровня заполнения процесс сгорания в топливном элементе прекращается.

Как показано на фиг.14, где в горизонтальном разрезе изображен топливный элемент в еще одном варианте выполнения, топливный элемент также состоит из шести секторов 100-105 с собранными в пучки капиллярами 106. В отличие от описанного выше варианта каждая пара смежных секторов 100-105 разделена двумя разделительными перегородками: например, секторы 100 и 101 отделены друг от друга двумя параллельными разделительными перегородками 107, 108. Между парами разделительных перегородок 107, 108 остается заполненное электролитом свободное пространство 109. Это свободное пространство 109 доступно через противолежащие сквозные отверстия 110, 111 в разделительных перегородках 107, 108, благодаря чему реакционные камеры 112, 113 обоих секторов 100, 101 сообщаются друг с другом.

Каждая разделительная перегородка 107, 108 снабжена противоэлектродом рассмотренного выше типа. Капилляры 106 и контактные элементы 114 разделительных перегородок 107, 108 закреплены на концах в торцевых пластинах 115, проходя через них и свободно выступая из них, как показано на фиг.15, на которой изображен в разрезе корпус 116 нагнетательной полости.

Изобретение относится к топливному элементу, прежде всего к метаноловому топливному элементу прямого действия. Согласно изобретению топливный элемент с множеством капилляров (34), выполненных с возможностью притока к ним и/или протекания через них компонента топлива, имеющих по одному электроду (41) и расположенных в граничащих друг с другом секциях (35-40) пучками, каждый из которых находится внутри реакционной камеры (68, 69), причем электрод (41) выведен наружу с обоих концов каждого капилляра. Электроды (41) капилляров (34) секции (35-40) электрически соединены на обоих концах, имея по существу один и тот же потенциал, а по меньшей мере один участок (45) стенки каждой секции (35-40) снабжен противоэлектродом (46, 47) или по меньшей мере частично образует его. Техническим результатом является высокий выход мощности при конструктивно простом исполнении в сочетании с малой себестоимостью. 35 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Топливный элемент, снабженный множеством капилляров, выполненных с возможностью притока к ним и/или протекания через них компонента топлива и имеющих по одному электроду, отличающийся тем, что капилляры (34) расположены в граничащих друг с другом секциях (35-40) пучками, каждый из которых находится внутри реакционной камеры (68, 69), электрод (41) выведен наружу с обоих концов каждого капилляра, электроды (41) капилляров (34) секции (35-40) электрически соединены на обоих концах, имея по существу один и тот же потенциал, а по меньшей мере один участок (45) стенки каждой секции (35-40) снабжен противоэлектродом (46, 47) или по меньшей мере частично образует его.

2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что секции (35-40) представляют собой круговые секторы.

3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды (10) капилляров (8) одной секции (3, 5, 7) подключены к противоэлектроду (13, 15, 17) соседней секции (2, 4, 6).

4. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды (41) всех капилляров (34) топливного элемента (30) соединены между собой на концах.

5. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что соединение электродов задается переключателем.

6. Топливный элемент по п.3, отличающийся тем, что каждая секция (2-7) имеет собственные стенки (13-18).

7. Топливный элемент по п.3, отличающийся тем, что между двумя соседними секциями (5, 6;100, 101) выполнены две отстоящие друг от друга разделительные перегородки (19, 20;107, 108).

8. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что соседние секции (35-40) имеют общую разделительную перегородку (45).

9. Топливный элемент по п.7, отличающийся тем, что разделительные перегородки (19, 20;107, 108) выполнены негерметичными.

10. Топливный элемент по п.7, отличающийся тем, что разделительная перегородка имеет по меньшей мере один выполненный отдельно противоэлектрод.

11. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что общая для двух соседних секций (35-40) разделительная перегородка (45) имеет с обеих сторон по одному противоэлектроду (46, 47).

12. Топливный элемент по п.11, отличающийся тем, что противоэлектрод (46) имеет несущий лист (48), покрытый решетчатым носителем (49) для катализатора.

13. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что капилляр имеет решетчатую сердцевину, покрытую катализатором и охваченную кольцевой мембраной.

14. Топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что сердцевина капилляра, несущий лист и/или решетчатый носитель изготовлены из титана.

15. Топливный элемент по п.14, отличающийся тем, что капилляры (8; 34), будучи открытыми и свободно доступными с концов, выполнены проточными для газа.

16. Топливный элемент по п.15, отличающийся тем, что капилляры (34) выполнены проточными для воздуха, и с одного конца капилляров (34) корпус (81) образует нагнетательную полость (60), в которой капилляры (34) заканчиваются открытыми концами и в которую вентилятор (61) подает атмосферный воздух.

17. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что между соседними углами секций предусмотрена общая закрытая на конце питающая труба (66) для подачи компонента топлива, имеющая в реакционных камерах (68, 69) секций сквозные отверстия (67) для выхода компонента топлива.

18. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что предусмотрена выпускная труба (84), имеющая в реакционных камерах (68, 69) секций сквозные отверстия (85) для входа газообразного остаточного продукта сгорания и выходящая наружу топливного элемента (30).

19. Топливный элемент по п.18, отличающийся тем, что питающая труба (66) продолжается в выпускной трубе (84).

20. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что к питающей трубе (66) присоединен по меньшей мере один насос (72, 73), который размещен в насосной полости (75) корпуса (64), противолежащей нагнетательной полости (60).

21. Топливный элемент по п.20, отличающийся тем, что компонент топлива представляет собой горючую смесь, отдельные компоненты которой подаются в питающую трубу (66) соответствующими насосами (72, 73), регулируемыми управляющим устройством с обеспечением оптимизации содержания отдельных компонентов в горючей смеси.

22. Топливный элемент по п.21, отличающийся тем, что в качестве отдельных компонентов горючая смесь содержит воду и метанол.

23. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что он (30) устанавливается для работы таким образом, чтобы капилляры (34) располагались вертикально, а нагнетательная полость (60) находилась сверху.

24. Топливный элемент по п.23, отличающийся тем, что выходящая из капилляров (34) жидкая фаза собирается в приемной полости (62), расположенной снизу.

25. Топливный элемент по п.24, отличающийся тем, что жидкая фаза представляет собой воду, направляемую для повторного использования в процессе сгорания.

26. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что реакционные камеры (68, 69) заполнены кислым метанолом (70, 71).

27. Топливный элемент по п.26, отличающийся тем, что уровень заполнения реакционных камер (68, 69) контролируется датчиками (91-93) уровня.

28. Топливный элемент по п.27, отличающийся тем, что над кислым метанолом имеется свободное пространство (82, 83).

29. Топливный элемент по п.28, отличающийся тем, что при слишком высоком или слишком низком уровне заполнения процесс сгорания прекращается.

30. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что секции (35-40) расположены внутри цилиндрического корпуса (31), который закрыт в осевом направлении торцевыми пластинами (54, 55), через которые проходят капилляры (34).

31. Топливный элемент по п.30, отличающийся тем, что торцевые пластины (21, 22), фиксируя разделительные перегородки (19, 20) секций (2-7), также снабжены разделительными перемычками (23, 24), между которыми находится вставка (25), через которую проходят капилляры (8) расположенной под ней секции (5).

32. Топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что электрические контактные элементы (52, 53) противоэлектродов (46, 47) выведены через торцевые пластины (54, 55).

33. Топливный элемент по п.32, отличающийся тем, что торцевые пластины (54, 55) на своих сторонах, которые закрывают реакционные камеры в осевом направлении, имеют пазы (56, 57) под разделительные перегородки (45).

34. Топливный элемент по п.33, отличающийся тем, что разделительная перегородка (43, 44) имеет два выступающих, с обеих сторон снабженных выступом несущего листа контактных элемента (58, 58; 59, 59), проходящих через торцевые пластины (54, 55), закрывающие корпус (31) в осевом направлении.

35. Топливный элемент по п.30, отличающийся тем, что корпус (31) закрыт в осевом направлении с каждой стороны двумя торцевыми пластинами (54, 93;55,94).

36. Топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что корпус (31) снабжен фланцами (32, 33) для присоединения корпуса (81) нагнетательной полости и расположенных с противоположной стороны полостей (62, 75, 76, 77).