ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H01M8/00 B82B1/00 

Описание патента на изобретение RU2396639C1

Изобретение относится к портативному источнику тока - автономному зарядному устройству (АЗУ), на щелочных топливных элементах с градиентно-пористыми матричными структурами, которое может быть использовано в автономных и стационарных источниках водорода для питания водородно-воздушных топливных элементов, а также в топливных элементах прямого окисления растворенного топлива - боргидридов щелочных металлов, например, в портативных автономных зарядных устройствах для телефонной связи и в автомобильной промышленности.

Известные топливные элементы прямого электрохимического окисления для выработки электроэнергии из твердофазного органического топлива содержат катод, снабженный электрокатализатором восстановления; анод, снабженный катализатором электрохимического окисления, и твердый оксидный электролит, являющийся средством для переноса кислорода от катода к аноду (см., например, заявку RU 2006120726). Указанный топливный элемент может быть использован при высоких температурах (950-1200°С).

Согласно настоящему изобретению в качестве основного компонента топлива в разрабатываемом устройстве используется боргидрид щелочного металла (преимущественно, натрия). Боргидриды щелочных металлов имеют наиболее высокую теоретическую удельную энергию (9296 Вт·ч·кг-1 для NaBH4). Сочетание преимуществ (химическая стойкость боргидридов, дешевизна, доступность, растворимость в воде продуктов электрохимических превращений, безопасность при транспортировке, получение в качестве продукта прямого окисления метабората натрия, возможность работы при комнатной температуре, отсутствие потребности в дополнительной энергии для реализации процесса в реакторе, конструкция которого максимально проста) делают боргидридно-воздушные ТЭ крайне привлекательными в качестве источников тока. Поэтому топливные элементы с прямым окислением боргидридов могут использоваться в более широком температурном интервале (от -20 до 70°С) по сравнению с другим жидкими топливами (см. А.Ю.Цивадзе и др. в статье «Новые электрокатализаторы для топливного элемента (ТЭ) с прямым окислением боргидридов (Доклады Академии Наук, 2007, том 414, №2, с.211-214).

Задачей настоящего изобретения является разработка нового портативного источника тока (АЗУ) с использованием бесплатиновых наноразмерных катализаторов электровосстановления кислорода воздуха и прямого электрокисления боргидридов щелочных металлов в боргидридных топливных элементах с высокой стабильностью каталитической активности и нового электролита. Указанные источники являются более стабильными в работе и доступнее и дешевле, чем ранее известные источники.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение концентрации кислорода, снижение омических потерь и предотвращение кроссовера боргидрид-ионов на катод за счет применения анионообменной мембраны.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается портативный источник тока, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной четырехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6 М КОН, на одну поверхность которой нанесены анионообменная мембрана и слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе. На другую поверхность нанесен гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение.

Дополнительно предлагается в гелевый электролит ввести перфторированное соединение в виде соли теломерных или полностью фторированных кислот H(CF2)nCOON(C4H9)4, где n=2, 3, или C4F9COON(C4H9)4 (10-12%).

Атомное соотношение компонентов сплава Ni:Ru:F составляет (8-12):1:(1-5).

Дополнительно предлагается пластину из пористого непроводящего материала выполнить толщиной 50÷150 мкм из керамики и/или стекла с пористостью 60÷90% и средним размером пор 1÷10 мкм.

Дополнительно предлагается газодиффузионный слой из пористого тефлона выполнить толщиной 150÷300 мкм.

В предлагаемом устройстве может быть применена анионообменная мембрана, доступная для пропускания ионов ОН- и недоступная для пропускания ионов ВН4-, например, анионит на основе полистирола, производимый фирмой «Асахи Глас» (Япония).

Сплав анодного катализатора представляет собой брутто-состав Ni12RuF5.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство, где 1 - пластина из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6 М КОН, 2 - анионообменная мембрана, 3 - слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, 4 - гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, 5 - газодиффузионный слой, выполненный из пористого тефлона, 6 - камера с жидким топливом. Объем топлива должен быть достаточным для обеспечения энергозапаса 20 Вт·ч.

Устройство работает следующим образом.

В камеру 6 заливают топливо (электролит с боргидридом натрия и добавками), которое, проходя через гидрофильной слой анодного катализатора 4, поступает в рабочую зону (оба электрода смочены электролитом). Источник тока готов к работе. При присоединении к потребителю энергии, например мобильному телефону, цепь замыкается. Рабочее напряжение 0,6-0,7 В от зарядного устройства с помощью DC-DC конвертера преобразуется в напряжение 3,8-5,4 В и поступает на потребитель, при этом через цепь течет постоянный ток (около 185-260 мА), необходимый для заряда мобильного телефона.

Ниже приведены реакции, протекающие в межэлектродном зазоре.

Для эффективного использования боргидридно-воздушных топливных элементов для АЗУ необходимо решить ряд задач по предотвращению гидролиза или резкому торможению гидролиза боргидридов в растворе и на аноде, предотвращению или торможению переноса боргидрид-ионов к катоду, на котором эти ионы взаимодействуют с кислородом, уменьшению скорости побочной реакции окисления боргидрида с образованием водорода. Водород, который может образовываться в ходе процесса, выводится в атмосферу через градиентно-пористую структуру. При этом анионообменная мембрана 2 снижает кроссовер боргидридного топлива на катодный катализатор и тем самым снижает перенапряжение восстановления кислорода воздуха и увеличивает напряжение на АЗУ в отсутствии потребления энергии и при питании потребителя.

Проведенные исследования показали, что при использовании в качестве топлива боргидрида натрия, а в качестве окислителя - кислорода воздуха, с применением высокоактивных катодных и анодных модулей на основе градиентно-пористых структур, снабженных бесплатиновыми наноэлектрокатализаторами, характеристики топливных элементов резко возрастают (при напряжении 0.8 В плотность тока окисления боргидрида составляла 51.5 мА/см2, а при рабочих напряжениях 0.7÷0.6 В составляла 70-90 мА/см2), что обеспечивает удельные мощности на уровне до 50 мВт/см2. Для сравнения, по литературным данным, удельная энергия некоторых ТЭ на основе системы «боргидрид» - воздух составляет 180 Вт·ч/кг (в расчете на вес топлива) и удельной мощности 20 мВт/см2 при комнатной температуре и плотности тока разряда 5 мА/см2.

Предлагаемая конструкция АЗУ на основе прямого окисления топлива обеспечивает его экологическую безопасность.

На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика боргидридно-воздушного ТЭ при комнатной температуре. Состав электролита 1 М NaBH4, 10% C4F9COON(C4H9)4, 10% глицерина в 5 мл 6 М КОН (без загустителя).

Длительные испытания боргидридно-воздушного ТЭ при постоянном напряжении 0.7 В показали, что плотность тока окисления была стабильной и составляла от 70 до 80 мА·см-2.

Похожие патенты RU2396639C1

название год авторы номер документа
ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА 2009
  • Трусов Лев Ильич
  • Федотов Владимир Петрович
  • Красько Людмила Борисовна
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
RU2396638C1
ИСТОЧНИК ТОКА ПОРТАТИВНЫЙ 2009
  • Трусов Лев Ильич
  • Тарасов Вадим Леонидович
  • Федотов Владимир Петрович
  • Красько Людмила Борисовна
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
RU2402119C1
ИСТОЧНИК ТОКА ПОРТАТИВНЫЙ 2009
  • Трусов Лев Ильич
  • Федотов Владимир Петрович
  • Красько Людмила Борисовна
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
RU2402118C1
ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА НА ОСНОВЕ ПРЯМОГО ОКИСЛЕНИЯ БОРГИДРИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Михайлова Алла Александровна
  • Майорова Наталия Александровна
  • Пасынский Александр Анатольевич
  • Трусов Лев Ильич
  • Тарасов Вадим Леонидович
  • Красько Людмила Борисовна
  • Фролов Сергей Дмитриевич
RU2402117C1
ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЯМОГО ЭЛЕКТРООКИСЛЕНИЯ БОРГИДРИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Михайлова Алла Александровна
  • Майорова Наталия Александровна
  • Трусов Лев Ильич
  • Тарасов Вадим Леонидович
  • Красько Людмила Борисовна
RU2396640C1
КАТОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ВОЗДУХА В БОРГИДРИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Михайлова Алла Александровна
  • Трусов Лев Ильич
  • Красько Людмила Борисовна
  • Фролов Сергей Дмитриевич
RU2396641C1
АНОД ДЛЯ ПРЯМОГО ЭЛЕКТРООКИСЛЕНИЯ БОРГИДРИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Пасынский Александр Анатольевич
  • Майорова Наталия Александровна
  • Антонов Александр Николаевич
  • Трусов Лев Ильич
  • Красько Людмила Борисовна
  • Фролов Сергей Дмитриевич
RU2396637C1
НАНОРАЗМЕРНЫЙ КАТАЛИЗАТОР ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ВОЗДУХА 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Корлюков Александр Александрович
  • Михайлова Алла Александровна
  • Трусов Лев Ильич
  • Красько Людмила Борисовна
RU2404853C1
НАНОРАЗМЕРНЫЙ КАТАЛИЗАТОР ПРЯМОГО ЭЛЕКТРООКИСЛЕНИЯ БОРГИДРИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ 2009
  • Гринберг Виталий Аркадьевич
  • Скундин Александр Мордухаевич
  • Пасынский Александр Анатольевич
  • Майорова Наталия Александровна
  • Корлюков Александр Александрович
  • Антонов Александр Николаевич
  • Трусов Лев Ильич
  • Красько Людмила Борисовна
RU2401695C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНОГО БЛОКА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 2023
  • Засыпкина Аделина Алексеевна
  • Иванова Наталия Анатольевна
  • Спасов Дмитрий Дмитриевич
  • Меншарапов Руслан Максимович
  • Синяков Матвей Владимирович
  • Фатеев Владимир Николаевич
RU2805994C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 396 639 C1

Реферат патента 2010 года ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Изобретение относится к портативному источнику тока - автономному зарядному устройству (АЗУ), на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов, которые могут быть использованы в автономных и стационарных источниках водорода, для питания водородно-воздушных топливных элементов, а также в топливных элементах прямого окисления растворенного топлива, например, в портативных автономных зарядных устройствах для телефонной связи и в автомобильной промышленности. Согласно изобретению портативный источник тока содержит мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной четырехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6 М КОН. На одну поверхность пластины нанесены анионообменная мембрана и слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющий собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение. Техническим результатом является повышение концентрации кислорода, снижение омических потерь и предотвращение кроссовера боргидрид-ионов на катод за счет применения анионообменной мембраны. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 396 639 C1

1. Портативный источник тока, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной четырехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6 М КОН, на одну поверхность которой нанесены анионообменная мембрана и слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение.

2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что гелевый электролит содержит перфторированное соединение в виде соли теломерных или полностью фторированных кислот H(CF2)nCOO N(C4H9)4, где n=2, 3, или C4F9COON(C4H9)4 (10-12%).

3. Источник тока по п.1 с анодным катализатором, в котором атомное соотношение компонентов сплава Ni:Ru:F составляет (8-12):1:(1-5).

4. Источник тока по п.1, в котором пластина из пористого непроводящего материала выполнена толщиной 50÷150 мкм из керамики и/или стекла.

5. Источник тока по п.4, в котором пластина выполнена с пористостью 60÷90% и средним размером пор 1÷10 мкм.

6. Источник тока по п.1, в котором газодиффузионный слой из пористого тефлона выполнен толщиной 150÷300 мкм.

7. Источник тока по п.1, в котором сплав анодного катализатора представляет собой брутто-состав Ni12RuF5.

8. Источник тока по п.1, в котором применена анионообменная мембрана, доступная для пропускания ионов ОН- и недоступная для пропускания ионов ВН4-.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2396639C1

RU 2006120726 А, 27.12.2007
КОМПОЗИЦИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ЕЕ ОСНОВЕ 2002
  • Финкельштейн Геннадий
  • Кастман Юрий
  • Филановский Борис
RU2265643C2
JP 2004349029 А, 09.12.2004
US 5599640 А, 04.02.1997.

RU 2 396 639 C1

Авторы

Трусов Лев Ильич

Федотов Владимир Петрович

Красько Людмила Борисовна

Гринберг Виталий Аркадьевич

Скундин Александр Мордухаевич

Даты

2010-08-10Публикация

2009-05-07Подача