батарея топливных элементов

Формула изобретения

1. Батарея топливных элементов (ТЭ), соединенных последовательно и состоящих из опорной трубы с нанесенными на нее слоями анода, электролита, катода и изолятора, отличающаяся тем, что опорная труба выполнена в виде капилляра, закрытого с одного конца, а открытый конец которого соединен с узлом подачи восстановителя, анод и катод выполнены из одного материала, при этом анод каждого предыдущего ТЭ переходит в катод последующего ТЭ и отделен от анода и электролита последующего ТЭ изолятором, катод и электролит предыдущего ТЭ отделены от катода последующего ТЭ вторым изолятором.

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что между слоем анода и электролита и электролита и катода расположены слои катализатора.

3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что на ее внешней поверхности выполнен слой из пористого изолирующего материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания и использования батарей топливных элементов, позволяющих преобразовывать химическую энергию непосредственно в электрическую.

Существует несколько типов топливных элементов: щелочные топливные элементы, где в качестве электролита используется гидроокись калия, работающие на чистом водороде и чистом кислороде, анионная проводимость (ОН^-), кпд до 70%; топливные элементы с твердополимерной протонопроводящей мембраной, работают на чистом водороде и кислороде, либо кислороде воздуха, катионная (протонная) проводимость (Н ⁺), кпд 40-60%, рабочая температура около 100°С; топливные элементы с протонопроводящей пористой матрицей, насыщенной фосфорной кислотой, работают на водороде и кислороде, либо кислороде воздух, катионная (протонная) проводимость (Н⁴), кпд около 40%, рабочая температура около 200°С; топливные элементы с пористой керамической матрицей, насыщенной расплавленной смесью карбоната лития и калия, либо лития и натрия, работают на водороде либо природном газе и кислороде либо, двуокиси углерода, анионная проводимость (СО₃ ^2-), рабочая температура около 650°С; топливные элементы на твердом керамическом электролите на основе оксидов циркония и иттрия работают на водороде и кислороде (кислороде воздуха), анионная проводимость (O₂ ^2-), кпд около 60%, рабочая температура - свыше 1000°С (Н.В.Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки, Москва, Издательство МЭИ, 2005 г.).

Общим для различных топливных элементов является то, что на анод топливного элемента подается восстановитель - водород (либо природный газ), а на катод - окислитель - кислород (воздух, CO₂ ), между которыми расположен электролит с протонной или анионной проводимостью.

Химические реакции в топливном элементе идут на специальных пористых электродах (как правило, из пористого титана), активированных металлами платиновой группы, где химическая энергия водорода и кислорода эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород восстанавливается на катоде. Катализатор на аноде ускоряет превращение водородных молекул в водородные ионы (Н⁺) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану мигрируют к катоду, где катализатор катода способствует образованию воды из протонов, электронов и кислорода. Напряжение, генерируемое отдельным топливным элементом, находится на уровне 1,0 В. Для получения большего напряжения топливные элементы соединяют последовательно в батареи. Известен тонкопленочный трубчатый топливный элемент с линейным коллектором по образующей и батареи на его основе. (Н.В.Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки, стр.194, Москва, Издательство МЭИ, 2005 г.). Особенностью этого топливного элемента является то, что он выполнен в виде цилиндра с дном, кислород (воздух) подается по специальной трубке внутрь топливного элемента, а весь элемент омывается водородом. Цилиндрическая поверхность, омываемая водородом, - анод, внутренняя поверхность цилиндра - катод. В плоскотрубчатой конструкции топливных элементов электроды, электролит, платы коммуникаций, газораспределительные платы расположены параллельно друг другу (Межерицкий Г.С. Рыжков А.Н. Ружников В.А. Храмушкин Н.И. Разработка ЭУ на планарных ТОТЭ. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки на их основе. Обнинск. 2000. с.78).

К недостаткам этих конструкций относится сложность сборки, герметизации и организация газовых потоков.

Известен топливный элемент плотноупакованной конструкции, в которой электрохимические группы: анод-электролит-катод выполнены в виде гофрированных лент с общей толщиной 0,025-0,1 мм (Н.В.Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки, Москва, Издательство МЭИ, 2005 г., с.196). Элементы соединяются в батареи последовательно при помощи металлических биполярных пластин. Удельная активная площадь поверхности электродов на единицу объема составляет до 1000 м²/м³ и соответственно удельная мощность топливного элемента значительно превосходит эти показатели топливных элементов других конструкций. Тем не менее топливные элементы плотноупакованной конструкции пока не нашли применения в разрабатываемых электрохимических энергоустановках из-за очень сложной и соответственно дорогой технологии изготовления.

За прототип выбрана батарея трубчатых топливных элементов, соединенных последовательно и выполненных в виде опорной трубы с нанесенными на нее кольцевыми топливными элементами со слоями анода, электролита, катода, межэлектродных коммуникаций и изолятора, по внутренней полости трубы течет восстановитель, а окислитель омывает внешнюю поверхность батареи (Н.В.Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки, Москва, Издательство МЭИ, 2005 г., с.193). Недостатками конструкции является сложность и нетехнологичность изготовления, также существенным ее недостатком является малая удельная активная площадь поверхности электродов на единицу объема - несколько десятков метров квадратных на 1 м³, следствием чего является малая удельная мощность таких батарей.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение удельной активной площади поверхности электродов на единицу объема, т.е. удельной мощности топливных элементов, и соответственно, батареи, существенное упрощение конструкции, упрощение технологии изготовления батареи топливных элементов.

Для этого предложена батарея топливных элементов (ТЭ), соединенных последовательно и состоящих из опорной трубы с нанесенными на нее слоями анода, электролита, катода и изолятора, при этом опорная труба выполнена в виде капилляра, закрытого с одного конца, а открытый конец которого соединен с узлом подачи восстановителя, анод и катод выполнены из одного материала, при этом анод каждого предыдущего ТЭ переходит в катод последующего ТЭ и отделен от анода и электролита последующего ТЭ изолятором, катод и электролит предыдущего ТЭ отделен от катода последующего ТЭ вторым изолятором.

Кроме того, между слоем анода и электролита и электролита и катода расположены слои катализатора.

На внешней поверхности батареи может быть выполнен слой из пористого изолирующего материала.

На чертеже представлена предлагаемая батарея последовательно соединенных топливных элементов (ТЭ), где

1 - капилляр,

2 - анод,

3 - катализатор,

4 - катод,

5 - электролит,

6, 7 - изолятор,

8 - пористое изолирующее покрытие,

9 - коллектор с восстановителем,

10 - герметизирующий элемент,

11 - вывод катода для подключения к потребителю или к другой батарее топливных элементов,

12 - вывод анода для подключения к потребителю или к другой батарее топливных элементов.

Батарея ТЭ представляет собой капилляр 1, один конец которого загерметизирован с помощью герметизирующего элемента 10, а второй выполнен открытым для заправки его восстановителем, например водородом.

Открытый конец капилляра соединен с узлом подачи восстановителя. Узел подачи восстановителя представляет собой коллектор с восстановителем 9 (например, водородом) под давлением ~0,2 ати-10 тыс. ати, который снабжен датчиком давления (не показан). Датчик давления связан через систему регулирования с запорной арматурой, которая при понижении давления восстановителя в коллекторе 9 до определенной величины открывается и восстановитель поступает в коллектор 9 из емкости с высоким давлением, а при повышении до некоторой величины давления восстановителя закрывается и восстановитель расходуется в топливных элементах для получения электрической энергии. Часть капилляра 1 (капилляров), входящих в коллектор, может быть выполнена сужающейся.

В случае работы капилляра (капилляров) с топливными элементами при высоком давлении восстановителя - сотни или тысячи атмосфер капилляры выполняют не только роль транспортных каналов для подачи восстановителя (например, водорода, метана и других газов) к топливному элементу, но и аккумуляторов восстановителя, так как массовое и объемное содержание этих газов в капиллярах в этом случае выше, чем в лучших аккумуляторах газов (Чабак А.Ф. Ульянов А.И. Проблемы хранения и использования водорода. // Вестник машиностроения. 2007. № 4. с.48-52.)

В этом случае коллектор с восстановителем имеет малые размеры и может представлять собой малую сферу или капилляр с радиусом в единицы миллиметров, в которые введены капилляры (капилляр). При использовании большего числа параллельных капилляров, общий диаметр которых превышает диаметр коллектора, концы капилляров выполняются сужающимися до размеров, позволяющих их ввести в коллектор.

Заправка топливного элемента восстановителем (водородом) с высоком давлением обеспечивает его работу в автономном режиме длительное время.

Применение капилляров, которые способны выдерживать высокие давления, позволяет дать новое качество, интегрирующее свойства топливного элемента и аккумулятора восстановителя (водорода).

На капилляр 1 наносится (напыляется) анод 2, на анод 2 наносится катализатор 3, выполненный, например, из платины, на катализатор наносится электролит 5, например протонопроводящая мембрана, на электролит может наносится катализатор 3, на катализатор 3 наносится катод 4. Анод и катод выполнены из одного материала, например титана. Боковые поверхности указанных слоев изолируются изоляторами 6 и 7. На внешнюю поверхность топливных элементов может наноситься пористое изолирующее покрытие 8 из полимера, керамики, стекла и т.п. для предотвращения электрического замыкания в результате контакта электродов топливных элементов. Анод первого элемента 2 переходит в катод второго элемента 4, осуществляется последовательное соединение топливных элементов в батарею.

Съем напряжения производится с выводов катода 11 и анода 12.

Варьируя длиной единичного топливного элемента и их количеством, получаем необходимые ток, напряжение и мощность.

Батарея топливных элементов может состоять из множества таких капилляров с нанесенными на него вышеуказанными слоями.

Так в случае, если батарея топливных элементов состоит из пучка параллельных капилляров, то напряжение на конце каждого капилляра равно сумме напряжений каждого топливного элемента, так как они соединены в капилляре последовательно. Для обеспечения потребителю электроэнергии высокого электрического напряжения и большого тока электрические выводы топливных элементов с одного конца пучка капилляров (катоды - 11) объединяются, так же объединяются электрические выводы топливных элементов с другого конца пучка капилляров (аноды - 12). Таким образом, варьируя количеством топливных элементов на капилляре, варьируют величиной напряжения на концах капилляров, варьируя количеством капилляров в пучке, можно варьировать величину тока, которую можем подавать потребителю.

Технология создания таких батарей топливных элементов реализуется относительно просто путем нанесения, напыления на капилляр(ы) в определенной последовательности представленных выше слоев соответствующих материалов: анода, катализатора, электролита, катализатора, катода, изолятора. Общая толщина наносимых слоев может составлять от доли до единиц микрона.

Капилляр выполняется из материала с проницаемостью по водороду, обеспечивающей требуемый поток водорода к аноду при температуре работы топливного элемента, которая в зависимости от типа топливного элемента может быть 100°С и выше.

В период, когда топливный элемент не работает, температура топливного элемента снижается и проницаемость водорода за счет диффузии через капилляр к аноду снижается на несколько порядков, т.е. поступление водорода практически прекращается. Так, например, проницаемость водорода через стенку капилляра из натрийкальцийсиликатного стекла при изменении температуры со 100°С до 20°С изменяется с 10^-15 до 10 ^-19 см²/атм.с. (в 10 тысяч раз), а при изменении температуры с 250°С до 20°С изменяется с 10^-12 до 10^-19 см²/атм.с. (в 10 миллионов раз).

Капилляр может быть и пористым, в этом случае анод 2 и катод 4 должны быть выполнены из металла, изоляторы 6 и 7 выполнены из материала с низкой проницаемостью водорода, например из натрийкальцийалюмосиликатного стекла, у которого водородопроницаемость 10^-5-10^-6 см²/атм.с. (Акунец А.А., Басов Н.Г., Сверхпрочные микробаллоны для хранения водорода. Труды ФИАН им. П.Н.Лебедева, 1992, т.220, с.100), что практически исключает утечки водорода через эти поверхности и единственный путь у водорода - диффузия через электролит.

Удельная площадь каждого электрода, катода и анода, созданных на капиллярах, приведена в таблице. При расчете общая толщина наносимых слоев составляла ~1 микрон.

Таблица
№ п/п	Диаметр капилляров, мкм	Удельная площадь электродов, м2/м3
1	20	150000
2	100	30000
4	200	15000
5	1000	3000
6	2000	1500

Батареи топливных элементов, созданные на базе капилляров, имеют высокую удельную активную площадь поверхности электродов на единицу объема, т.е. удельную мощность топливных элементов, при этом происходит существенное упрощение конструкции, упрощение технологии изготовления топливных элементов и одним из основных достоинств является то, что батареи сочетают в себе свойства топливного элемента и аккумулятора восстановителя, обеспечивая компактность и возможность реализации их как для создания микротопливных элементов, так и для топливных элементов энергетических установок.