Источник тока портативный

Изобретение относится к портативному источнику тока на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов. Техническим результатом изобретения является снижение омических потерь и предотвращение карбонизации электролита. Согласно изобретению источник тока портативный содержит мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной четырехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М KОН, на одну поверхность которой нанесена анионообменная или катионообменная 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 газодидиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, на наружную поверхность которого нанесена пленка из карбоксиметилцеллюлозы, 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. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к портативным источникам тока - автономным зарядным устройствам (АЗУ) на щелочных топливных элементах с градиентно-пористыми матричными структурами, 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 - 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 другими 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 электроокисления 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 являются повышенные концентрации кислорода, снижение омических потерь и предотвращение кроссовера боргидрид-ионов на катод за счет применения катионо- или анионообменной мембраны, а также предотвращение карбонизации щелочного электролита в процессе эксплуатации.

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 6М KОН, на одну поверхность которой нанесена анионообменная или катионообменная мембрана и слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе. На другую поверхность нанесен гидрофильный слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодидиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, на наружную поверхность которого нанесена пленка из карбоксиметилцеллюлозы, 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 газодидиффузионный слой из пористого тефлона выполнить толщиной 150÷300 мкм.

В предлагаемом устройстве может быть применена катионообменная мембрана типа «Нафион» или анионообменная мембрана, доступная для пропускания ионов OH- и недоступная для пропускания ионов BH4-, например анионит на основе полистирола, производимый фирмой «Асахи Глас» (Япония).

Рекомендуемая толщина пленки из карбоксиметилцеллюлозы 5-10 мкм. Наносится она намазыванием или распылением, а затем просто высушивается.

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 6М КОН, 2 - катионообменная или анионообменная мембрана, 3 - слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, 4 - гидрофильный слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, 5 - газодидиффузионный слой, выполненный из пористого тефлона, 6 - пленка из карбоксиметилцеллюлозы, 7 - камера с жидким топливом. Объем топлива должен быть достаточным для обеспечения энергозапаса 20 Втчас.

Устройство работает следующим образом. В камеру 7 заливают топливо (электролит с боргидридом натрия и добавками), которое, проходя через гидрофильный 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.

Общая реакция

ВН4-+2O2→BO2-+2Н2О Ео=1.64 В

Анодные реакции

ВН4-+8OH-→ВО2-+6H2O+8е-Ео=-1.24 В

ВН4-+4OH-→BO2-+2Н2О+2Н2+4е-

2+4OH-→4Н2О+4е-

Катодная реакция

2O2+4Н2О+8е-→8OH-Ео=0.40 В

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 катионообменная или 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. Пленка из карбоксиметилцеллюлозы 6 толщиной 5-10 мкм пропускает кислород воздуха и препятствует проникновению в устройство диоксида углерода, тем самым предотвращает карбонизацию электролита.

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 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 1М NaBH4, 10% C4F9COON(C4H9)4, 10% глицерина в 5 мл 6М KОН (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 мАсм-2.

1. Источник тока портативный, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной четырехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М КОН, на одну поверхность которой нанесена анионообменная или катионообменная мембрана и слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильный слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодидиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, на наружную поверхность которого нанесена пленка из карбоксиметилцеллюлозы, 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)nCOON(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 газодидиффузионный слой из пористого тефлона выполнен толщиной 150÷300 мкм.

7. Источник тока по п.1, в котором пленка из карбоксиметилцеллюлозы выполнена толщиной 5-10 мкм.

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к портативному источнику тока на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов. .

Изобретение относится к портативному источнику тока на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов (БГЩМ). .

Изобретение относится к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ), содержащим металлическую подложку. .

Изобретение относится к топливным элементам с системой удаления инертных примесей. .

Изобретение относится к наночастицам сплава палладий-кобальт, используемым в качестве электрокатализаторов восстановления кислорода в топливных элементах. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для изготовления батареи топливных элементов с твердым полимерным электролитом, предназначенной как для портативных мобильных электронных устройств, так и для изготовления зарядного устройства на основе батарей топливных элементов.

Изобретение относится к топливным элементам с протонообменной мембраной. .

Изобретение относится к семейству новейших материалов для катода и к уникальному способу их синтеза для Li-ионных батарей. .

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока, принцип действия которых основан на электронных процессах, протекающих в полупроводниковых катализаторах.

Изобретение относится к области высокотемпературных топливных элементов, в особенности к способу и устройству для эксплуатации установки топливного элемента на твердом оксиде (SOFC)

Изобретение относится к мембранно-электродным модулям и топливным элементам, обладающим повышенной мощностью, а также к способу изготовления мембранно-электродного модуля

Изобретение относится к газодиффузионным электродам для электрохимических устройств
Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам рубидия, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, работающих в области высоких температур, использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы

Изобретение относится к энергетике и электрохимии, в основном касается выработки электроэнергии за счет прямого электрохимического окисления твердофазного органического топлива и, более конкретно, относится к топливному элементу, содержащему твердый оксид

Изобретение относится к технологии получения газопроницаемых мембран, которые могут быть использованы в топливных элементах (ТЭ) при повышенных температурах эксплуатации (100°С и выше), метанольных ТЭ, электролизерах воды низкого и высокого давления и др

Изобретение относится к технологии получения перфторсульфокатионитовых мембран и могут быть использованы при изготовлении мембранно-электродных блоков, применяемых в топливных элементах различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах и т.д
Изобретение относится к полимерным мембранам, основанным на композициях, включающих интерполиэлектролитные комплексы, содержащие полианилин в форме эмеральдина и Nation® (DuPont) или МФ-4СК (ОАО Пластполимер, Россия, Санкт-Петербург), или их аналоги, а также к способу получения полимерных мембран, предназначенных для применения в низкотемпературном или высокотемпературном полимерном топливном элементе

Изобретение относится к конструкции блочных электрохимических устройств с твердым электролитом и может быть использовано, например, в качестве электрохимического генератора, электролизера и т.п

Изобретение относится к твердооксидному элементу, к способу его получения

Изобретение относится к портативному источнику тока на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов

Наверх