Топливный элемент и батарея топливных элементов



Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов
Топливный элемент и батарея топливных элементов

 


Владельцы патента RU 2496186:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области электрохимической энергетики. Топливный элемент (1) включает мембранно-электродную сборку (2), к аноду которой примыкает упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка из химически инертного материала (12), первая и вторая герметизирующие прокладки (5), (8). В центральной области упругой пластинчатой диэлектрической прокладки (12) выполнено отверстие для прохода анодного газа (водорода) к мембранно-электродной сборке (2). К упругой пластинчатой диэлектрической прокладке (12) примыкает пластина (14) с газораспределительными каналами (15) и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа. Батарея топливных элементов включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки (2). Техническим результатом является повышенная эффективность преобразования энергии за счет уменьшения потерь на электрическое сопротивление, и увеличенная стабильность электрического сопротивления во времени. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию.

Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и топливные элементы (ТЭ), является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий КПД, который теоретически может достигать 100%, однако эффективность преобразования энергии в ТЭ зависит от многих факторов, и в том числе в значительной мере зависит от оптимального выполнения конструкции изделия. Весьма существенным фактором, определяющим общий КПД устройства, являются тепловые потери при токосъеме с электродов. Уменьшение потерь энергии, связанных с конструкцией ТЭ, в настоящее время является актуальной задачей.

Известен топливный элемент (см. заявка EP 2417663, МПК H01M 8/02, H01M 8/24, опубликована 15.02.2012), включающий мебрано-электродный блок, содержащий протонпроводящую мембрану, к которой примыкают соответственно анодный газодиффузионный слой и катодный газодиффузионный слой. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная сепаратные пластины. По периферии мембрано-электродного блока расположена упругая герметизирующая прокладка.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 2387053, МПК H01M 8/10, H01M 8/24, опубликован 209.04.2010), включающая два ТЭ, каждый из которых включает анодный электрод с анодным газодиффузионным слоем, катодный электрод с катодным газодиффузионным слоем и протонпроводящую мембрану, расположенную между катодным и анодным диффузионными слоями. ТЭ обращены друг к другу анодными электродами, между которыми по всему периметру проложена диэлектрическая прокладка, образующая камеру для топлива.

Известная батарея топливных элементов имеет уменьшенную толщину и увеличенную удельную мощность за счет миниатюризации конструкции и взаимного расположения ее частей. Однако стабильность токосъема в процессе работы устройства не обеспечивается.

Известен топливный элемент (см. патент RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), включающий анодный электрод, катодный электрод, расположенная между электродами протонпроводящая мембрана, анодный и катодный газодиффузионные слои, токовые коллекторы, по меньшей мере, из 2-х металлических сеток. Протонпроводящая мембрана с электродами, анодный и катодный газодиффузионные слои посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную мембранно-электродную сборку.

Известный ТЭ сложен в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.

Известна батарея топливных элементов (см. RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), состоящая, по меньшей мере, из 2-х топливных элементов, каждый из которых включает анодный электрод, катодный электрод, расположенную между электродами протонпроводящую мембрану водородный и кислородный (воздушный) газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток и, биполярную охлаждающую пластину, для разделения смежных топливных элементов, выполненную в виде тонкого пластинчатого теплообменника с рамкой и металлической сеткой внутри рамки, отличающаяся тем, что топливные элементы выполнены по любому из пп.1-7, рамка биполярной охлаждающей пластины снабжена каналами и отверстиями для подвода и распределения реагентов (водорода, кислорода, воздуха) по водородной и кислородной камерам ТЭ и удаления продуктов реакции, а боковые стенки, примыкающие к водородной и кислородной камерам топливных элементов, снабжены отверстиями для сообщения коллекторных систем батареи по водороду и кислороду (воздуху) с соответствующей газовой камерой ТЭ.

Известная батарея ТЭ сложна в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.

Известен топливный элемент (см. заявка US 20120034542, МПК H01M 8/00, опубликована 09.02.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. ТЭ включает мембранно-электродную сборку, содержащую протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная торцовые пластины. По периферии мембрано-электродной расположена рамка, одна относительно упругая прокладка и другая менее упругая прокладка.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу в основном при невысоких давлениях, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ, так как сжатие элементов ТЭ происходит лишь по его периферии.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 70051, МПК H01M 8/00, H01M 16/00, опубликован 10.01.2008), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Батарея-прототип содержит, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов. Батарея также содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам. Мембранно-электродные сборки герметично скреплены с газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных по периферии и в центре отверстиями, в которые пропущены винты для стяжки батареи, и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок.

Стяжка конструкции батареи производится большим количеством винтов, в том числе и по центру конструкции. Центральный винт требует наличия соответствующего отверстия в конструкции и мембранно-электродном блоке, что ухудшает газоизолирующие свойства и может привести к сообщению анодного и катодного пространств, что, в свою очередь, приводит к ухудшению электрических характеристик источника питания. Кроме того, такое решение увеличивает сложность изготовления конструкции и добавляет лишний вес. Наличие центрального винта способствует сохранению электрического контакта в основном по центру батареи, что не так эффективно в случае усадки конструктивных составляющих батареи.

Задачей настоящего технического решения является создание конструкции топливного элемента и батареи топливных элементов, обладающих повышенной эффективностью преобразования энергии, за счет уменьшения потерь на электросопротивление токосъемных контактов, и увеличенной стабильностью этого сопротивления во времени при сохранении массогабаритных параметров, трудозатрат на его изготовление и стоимостных характеристик.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части топливного элемента задача решается тем, что топливный элемент включает мембранно-электродную сборку, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродной сборки, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродной сборки и токовые выводы. Мембранно-электродная сборка содержит протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка с центральным отверстием для прохода анодного газа, которая имеет модуль упругости больше модуля упругости газодиффузионных слоев, компенсирует их продавливание, за счет постоянного поджатия, тем самым поддерживает постоянной площадь поверхности электрических контактов между анодом и анодным газодиффузионным слоем, а также между катодом и катодным газодиффузионным слоем, а, следовательно, и сопротивление между ними.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.

Топливный элемент может быть выполнен квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.

В части батареи топливных элементов задача решается тем, что батарея топливных элементов включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, между которыми размещена пластина с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа. С внешней стороны каждой мембранно-электродной сборки катоды выполнены в виде пластины с окнами для подвода катодного газа, снабженные средствами для стяжки батареи. Батарея топливных элементов снабжена также средствами для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродных сборок и токовыми выводами. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом каждой мембранно-электродной сборки упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.

Батарея топливных элементов может быть выполнена квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка на протяжении работы или хранения батареи топливных элементов за счет своих упругих свойств постоянно поджимает сборку, чем обеспечивает хороший электрический контакт.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен вид сбоку на топливный элемент по настоящему изобретению;

на фиг.2 показан поперечный разрез по А-А топливного элемента, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 изображен вид спереди на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку;

на фиг.4 показан вид сбоку на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку, изображенную на фиг.3;

на фиг.5 показана в аксонометрии мембранно-электродная сборка, разделенная для наглядности на отдельные элементы;

на фиг.6 изображен вид сбоку на батарею топливных элементов по настоящему изобретению;

на фиг.7 показан поперечный разрез по Б-Б батареи топливных элементов, изображенной на фиг.5;

на фиг.8 изображен в увеличенном масштабе узел I из фиг.6;

на фиг.9 приведена зависимость электрического сопротивления от времени батареи топливных элементов (●- батарея топливных элементов по настоящему изобретению; ■ - батарея топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок.

Топливный элемент 1 по настоящему изобретению (см. фиг.1-фиг.4) содержит мембранно-электродную сборку 2, состоящую из: анода 3 (см. фиг.5), например, из алюминиевой фольги, с токовым выводом 4 в виде продолжения пластины анода 3; первой упругой диэлектрической прокладки 5 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; анодного газодиффузионного слоя 6, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме первой упругой диэлектрической прокладки 5; протонпроводящей мембраны 7 с анодным и катодным каталитическими слоями, например на основе мембраны типа Nation или МФ4-СК и катализатора на основе платины или других металлов, размещенной между первой упругой диэлектрической прокладкой 5 и второй упругой диэлектрической прокладкой 8 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; катодного газодиффузионного слоя 9, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме второй упругой диэлектрической прокладки 8; катода в виде пластины 10 с окнами И для подвода катодного газа (воздуха). К аноду 3 в топливном элементе 1 примыкает упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка 12. Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладки 12 выполнено отверстие 13 для прохода анодного газа (водорода) к мембранно-электродной сборке 2. К упругой пластинчатой прокладке 12 примыкает пластина 14 с газораспределительными каналами 15 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа. Средства для стяжки топливного элемента 1 выполнены, например, в виде пропущенных через отверстия 18 в периферийных участках перечисленных выше компонентов топливного элемента 1 винтов 19 с гайками 20. Могут быть использованы и другие виды средств для стяжки топливного элемента 1, такие как, например, винты, скобки, защелки или клеевое соединение.

Батарея 21 топливных элементов (см. фиг.6-фиг.8) включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки 2 с катодами в виде пластин 10 с окнами 11 для подвода катодного газа, идентичные описанной выше, направленные друг к другу анодами 3, между которыми размещена пластина 22 с газораспределительными каналами 23, 24 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа, средства (например, винты 19 с гайки 20) для стяжки батареи 21. К анодам 3 мембранно-электродных сборок 2 примыкают упругие пластинчатые диэлектрические прокладки 12 (см. фиг.3-фиг.4). Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладок 12 выполнены отверстия 13 для прохода анодного газа (водорода) к соответствующей мембранно-электродной сборке 2, а также отверстия 18 в периферийных участках прокладок 12 для средств стяжки батареи 21.

Топливный элемент 1 работает следующим образом.

Водород подается через патрубок 16 на анодное пространство топливного элемента 1, через газораспределительный канал 15 пластины 14, (патрубок 17 служит для кратковременной продувки анодного пространства и в рабочем режиме закрыт). По пористому анодному газодиффузионному слою 5 водород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны анодного каталитического слоя. На анодном каталитическом слое происходит анодная реакция. В результате чего образуются протоны и электроны. Протоны через протонпроводящую мембрану 7 поступают на катодный каталитический слой. Электроны с анодного каталитического слоя проходят через пористый катодный газодиффузионный слой 9 и с него поступают на анод 3, например, из алюминиевой фольги. С анода 3 электроны поступают через нагрузку на катод 10 в виде пластины с окнами 11 для подвода катодного газа (кислорода).

Кислород подается на катодное пространство топливного элемента 1 из воздуха, через окна 11 для подвода катодного газа (кислорода) в катодной пластине 10. По пористому катодному газодиффузионному слою 9 кислород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны катодного каталитического слоя. На катодном каталитическом слое происходит катодная реакция. В результате чего образуется вода из кислорода, протонов водорода, прошедших через мембрану 7 с анодной стороны, и электронов прошедших через нагрузку.

Роль прокладки заключается в постоянном прижимающем воздействии на топливный элемент 1, в результате чего обеспечивается хороший электрический контакт между анодом 3, пористым анодным газодиффузионным слоем 5 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны анодного каталитического слоя, а также между катодом 10, пористым катодным газодиффузионным слоем 9 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны катодного каталитического слоя.

Батарея 21 топливных элементов работает аналогичным образом.

Был изготовлен образец батареи из двух топливных элементов квадратной формы размером 50×50×14 мм. В одном случае образец батареи из двух топливных элементов не содержал в своей конструкции упругую пластинчатую прокладку, а в другом случае содержал. Результаты испытания образца батареи топливных элементов по настоящему изобретению и образца батареи топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок показаны на фиг.9, где приведена зависимость электрического сопротивления батареи топливных элементов от времени его работы. Как видно фиг.9, электрическое сопротивление батареи топливных элементов по настоящему изобретению с упругой пластинчатой прокладкой и без прокладки в начальный момент времени одинаково, но с течением времени электрическое сопротивление батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой не увеличивается в отличие от батареи топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки. Так, например, в батарее топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки через 20 минут сопротивление увеличилось до 5,0 Ом, а в батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой сопротивление осталось на уровне 0,5 Ом.

Таким образом, упругая пластинчатая прокладка по настоящему изобретению позволяет поддерживать постоянной площадь поверхности электрических контактов, а, следовательно, и сопротивление между анодным и катодным газодиффузионными слоями и соответственно анодом и катодом.

1. Топливный элемент, включающий мембранно-электродную сборку, содержащую протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродной сборки, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродной сборки и токовые выводы, отличающийся тем, что между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом установлена упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из силикона.

3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из резины.

4. Батарея топливных элементов, включающая, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, с катодами в виде пластин с окнами для подвода катодного газа, между мембранно-электродными сборками размещена пластина с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, средства для стяжки батареи, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродных сборок и токовые выводы, отличающаяся тем, что между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом каждой мембранно-электродной сборки установлена упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

5. Батарея по п.4, отличающаяся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из силикона.

6. Батарея по п.4, отличающаяся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из резины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электрохимии. .

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к твердым электролитам с проводимостью по ионам кислорода. .
Изобретение относится к способам получения протонпроводящих мембран, которые могут быть использованы в электрохимических источниках тока, например в среднетемпературных твердополимерных топливных элементах.

Изобретение относится к улучшению характеристик дренирования газодиффузионного слоя для топливного элемента. .

Изобретение относится к авиационным силовым установкам, а более конкретно - к устройству гибридных силовых установок с электроприводом, работающим от твердоксидных топливных элементов, предназначено для воздушных судов.

Изобретение относится к титановому материалу для сепаратора твердополимерного топливного элемента, обладающего низким контактным сопротивлением, который может быть использован для автомобилей и маломерных электрогенерирующих систем.

Изобретение относится к твердооксидному элементу, к способу его получения. .

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 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 области мембранной техники. На поверхность гетерогенных ионообменных мембран, выполненных из полиэтилена и диспергированного в нем ионполимера, наносят раствор сульфированного политетрафторэтилена в органическом растворителе. Мембрану предварительно высушивают и обрабатывают «ледяной» уксусной кислотой и в раствор сульфированного политетрафторэтилена вносят «ледяную» кислоту, после чего мембрану подвергают термообработке. Способ позволяет получить механически прочные мембраны, способные устойчиво функционировать в электродиализных аппаратах. 5 табл.

Предложенное изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу изготовления из листового материала сепаратора для топливного элемента, содержащего формованные или профилированные выпуклости и вогнутости, и устройству для изготовления указанного сепаратора. В предложенном способе предусмотрено устранение люфта между валками (13) и главными подшипниками (12) на не формуемом участке и формование подлежащего формованию материала на формующем участке, повторяются при одновременном постоянном устранении люфта между корпусом (10) для валков (13) и осевыми втулками (11) главных подшипников, что обеспечивает возможность изготовления сепаратора из очень тонкого листового материала с повышением точности его размеров и является техническим результатом изобретения. Предложенное устройство для изготовления сепаратора выполнено с возможностью устранения люфта между валками в вертикальном и горизонтальном направлениях и с контролем формующих нагрузок. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к несущим катодам на основе манганита лантана стронция. Способ получения двухслойного катода для твердооксидных топливных элементов, включает формование электродного и коллекторного слоев катода и их спекание, при этом коллекторный слой катода формуют из порошка манганита лантана стронция, а электродный слой - из смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Для формования коллекторного слоя используют порошок манганита лантана стронция, полученного твердофазным синтезом состава La0.6Sr0.4MnO3, для электродного слоя - состава La0.75Sr0.2MnO3, электродный слой из смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, готовят при их массовом соотношении 1:1, в порошок состава La0.6Sr0.4MnO3 вводят порообразователь в количестве 15 мас.%, из полученного порошка изготавливают коллекторный слой, который обжигают при 1350°С в течение 2 часов, на полученный слой наносят электродный слой в виде спиртовой суспензии смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, слои спекают при 1200°С в течение 2 часов. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии получения двухслойного несущего катода, при повышении его уровня электропроводности и электрохимической активности в области температур 600-800оС. 4 ил.

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способу изготовления и материалу каталитического электрода - элемента мембранно-электродного блока для водородных и спиртовых топливных элементов. Металл-оксидный каталитический электрод представляет собой пористый наноструктурированный слой композита толщиной 2 -15 мкм, состоящий из: катализатора - монокристаллических частиц допированного рутением и сурьмой диоксида олова, со средним диаметром около 30 нм, на которые химически нанесены частицы каталитического металла платиновой группы со средним размером 3 нм, а также 10-30% гидрофибизатора, предпочтительно политетрафторэтилена, и 10-20% ионпроводящей добавки, предпочтительно сульфированный фторполимер. Суспензию активной композитной массы готовят путем диспергирования металл-оксидного катализатора, гидрофобизирующих и ионопроводящих добавок в смеси воды, изопропилового спирта и глицерола в соотношении 0.4:0.2:0.4, соответственно, затем ее наносят любым способом на газодиффузонный слой и термообрабатывают при 120°С. Повышение мощности топливного элемента с таким электродом является техническим результатом заявленного изобретения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.

Изобретение относится к области катализа, а именно каталитическим активным пористым композитным материалам, которые могут быть использованы в качестве несущих электродов электрохимических устройств для получения водорода и/или кислорода либо высоко- и среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Изобретение относится к композитному электродному материалу для электрохимических устройств, содержащему металлическую составляющую в виде двухкомпонентного сплава никеля с алюминием и керамическую оксидную составляющую, при этом в качестве двухкомпонентного сплава используют никель, плакированный алюминием, при содержании алюминия 3-15 мас.%, а в качестве оксидной составляющей - оксид алюминия, при этом состав материала характеризуется массовым отношением металлической составляющей к оксидной в соответствии с формулой yNixAl100-x-(100-y)Al2O3, где x=85÷97; y=30÷60. Техническим результатом изобретения является получение пористого несущего электрода для электрохимических устройств с улучшенной термодинамической и механической стабильностью, каталитической активностью, высокими электрическими характеристиками. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом, который включает формование электродного и коллекторного слоев катода, их спекание, при этом на электродный слой катода наносят и припекают слой твердого стабилизированного иттрием (YSZ) электролита, на слой электролита наносят анод, после чего полученный элемент спекают, при этом коллекторный слой катода формуют из порошка манганита лантана стронция, а электродный слой - из смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Коллекторный слой обжигают при 1350°C в течение 2 часов, на полученный слой наносят электродный слой в виде спиртовой суспензии смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, слои спекают при 1200°C в течение 2 часов, после того как на электродный слой катода припекут электролит, а на слой электролита - анод. Катод со стороны коллекторного слоя пропитывают насыщенным водным раствором нитрата празеодима в количестве 15-20 мас.% от массы катода и нагревают со скоростью 100°C/ч до температуры 600°C с выдержкой в течение 1 часа в атмосфере воздуха. Повышение удельной мощности водород/воздушного твердооксидного топливного элемента с предложенным двухслойным несущим катодом, является техническим результатом заявленного изобретения. 1 ил.

Предложена батарея твердооксидных топливных элементов, получаемая посредством способа, содержащего этапы: (a) формирование первого блока батареи топливных элементов путем чередования, по меньшей мере, одной соединительной пластины, по меньшей мере, с одной единицей топливного элемента, и обеспечение стеклянного уплотнителя в промежутке между соединительной пластиной и каждой единицей топливного элемента, при этом стеклянный уплотнитель содержит, в мас.%: 50-70 SiO2, 0-20 Al2O3, 10-50 CaO, 0-10 MgO, 0-6 (Na2O+K2O), 0-10 B2O3 и 0-5 функциональных элементов, выбранных из TiO2, ZrO2, F, P2O5, MoO3, Fe2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O перовскита (LSM), и их комбинаций; (b) преобразование названного первого блока батареи топливных элементов во второй блок, имеющий толщину стеклянного уплотнителя 5-100 мкм, посредством нагревания названного первого блока до температуры 500°C или выше, и воздействия на батарею элементов давлением нагрузки от 2 до 20 кг/см2; (c) преобразование названного второго блока в конечный блок батареи топливных элементов посредством охлаждения второго блока из этапа (b) до температуры ниже, чем температура на этапе (b). Повышение предела прочности топливного элемента при циклическом температурном воздействии за счет использования соединительных пластин с низким коэффициентом теплового расширения является техническим результатом изобретения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способам модификации полимерных перфторированных сульфокатионитных мембран, которые используют при изготовлении мембранно-электродных блоков (МЭБ), применяемых в топливных элементах (ТЭ) различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах. Технический результат - снижение расхода металлов платиновой группы, улучшение контакта между слоем катализатора и мембраной, повышение стабильности работы ТЭ, уменьшение степени проницаемости по метанолу, повышение механической прочности и химической стойкости полимерной мембраны. Способ плазменной модификации мембраны заключается в переводе мембраны в Н+-форму путем кипячения в серной кислоте с последующей отмывкой в деионизированной воде, после чего проводится плазменная обработка мембраны, а затем - плазмохимическая модификация катодной стороны мембраны в атмосфере инертного газа и фторирующего агента. Используют полимерные перфторированные сульфокатионитные мембраны типа Nafion, МФ-4СК. Плазменная обработка мембраны проводится в условиях непрерывного, или радиочастотного, или импульсного плазменного разряда. Наибольшей эффективностью локализации плазмы вблизи поверхности мембраны обладает магнетрон постоянного тока. Доза облучения поверхности мембраны 1-2 кДж/см2, мощность разряда при плазменной обработке 50-200 Вт. Время плазменной обработки 5-50 мин. Скорость вращения мембраны при плазменной обработке составляет 5-20 об/мин. 14 з.п. ф-лы, 2 ил. Время плазмохимической модификации 2-20 минут, в качестве инертного газа используют аргон, или гелий, или неон, или криптон, или ксенон, в качестве фторирующего агента используют трифторид азота, или бора, или кремния, мощность разряда при плазмохимической модификации составляет 20-100 Вт, давление 1·10-3-5·10-3 Торр, содержание в газовой смеси фторирующего агента 10-50 об. %. При этом концентрация фтора на катодной стороне мембраны составляет 5-15%. 1 з.п., 2 фиг.

Изобретение относится к устройству электрохимического генератора с твердым электролитом, преимущественно для генераторов малой и средней мощности до 15÷20 кВт. Указанный генератор содержит заключенные в корпус с теплоизолирующими стенками, рабочую камеру с батареей топливных элементов, камеру сгорания, конвертор природного газа, каналы для подачи и отвода топлива и газов, при этом конвертор природного газа установлен в рабочей камере, генератор содержит теплообменник, смонтированный в теплоизолирующих стенках, при этом канал для подачи газа-окислителя в рабочую камеру образован пространством между камерой сгорания и рабочей камерой и соединен с каналом для подачи воздуха в теплообменник, каналы для отходящих газов которого соединены с камерой сгорания. Достижение минимальных потерь тепла, равномерное распределение температуры в рабочей камере, повышение скорости разогрева электрохимического генератора, а также защита топливных электродов от окисления в период разогрева генератора являются техническим результатом изобретения. 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 фото.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления пористых катодных материалов на основе манганита лантана-стронция, и может быть использовано для изготовления твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), работающих при высоких температурах. Способ включает формирование пористой структуры посредством обжига порошка манганита лантана-стронция при температуре синтеза не менее 1300°C, при этом сначала проводят обжиг порошка манганита лантана-стронция при температурах 1100°C и 1200°C на воздухе с изотермическими выдержками 14 и 10 часов соответственно, а затем полученный порошок прессуют с использованием в качестве связующего 1%-ного раствора полибутилметакрилата в ацетоне в количестве 0,2 мл на 5 г порошка, окончательный синтез осуществляют при температуре 1450°C на воздухе в течение 10 часов. В предложенном способе не предусмотрено использование порообразователя, при этом полученные оксиды примерно обладают одинаковой пористостью, в частности 20-25% процентов при температуре спекания 1450°C, что является техническим результатом изобретения. 5 ил.
Наверх