Водородно-кислородный топливный элемент
Класс 21Ь 14о
Ма 146821 ессеи
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Подписная группа .Ч 90
В. С. Даниель-Бек и М. 3. Минц
ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Заявлено 5 августа 1961 г. за ¹ 741035/24 — 7 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Опвбликовано в «Бюллетене изобретений» № 9 за 1962 г.
Одной из разновидностей топливного элемента представляющего собой химический источник тока, в котором осуществляется непрерывная подача активных веществ извне в зону электрохимической реакции, является водородно-кислородный топливный элемент, работающий нри обычных или слегка повышенных температурах с применение.; водных элек1тролитов.
Элементы этого типа характеризуются наличием изготовленных из соответствующих электропроводящих материалов (уголь, никель и др.) пористых электродов, которые частично пропитаны электролитом, по сохраняют газопроницаемость.
На внутренней поверхности пор, куда поступают активные газы (водород и кислород), вблизи от границы раздела газ — электролит. происходят электродные процессы, заклкзчающиеся в переходе адсорбированных газов в ионное состояние и являющиеся источником электродвижущей силы элемента.
Из сказанного ясно, что электролит должен в известной мере проникать в поры электрода, но не должен пропитывать его полностью так как в противном случае электрод теряет газопроницаемость и прекращает работу. Совмещение этих двух требований осложняет создание газовых электродов с достаточно высокими и стабильными характерист1 Мами, рассчитанными на длительный срок службы. В элементах, разработанных Бэконом (Кембридж, Англия), эта задача решается применением двухслойной структуры пористого никелевого электрода, мелкопористый слой которого обращен к электролиту (щелочному): а более крупнопористый слой обращен к газу (водороду или кислороду). Газ подается под давлением, превышающим давление, под которым |находится электролит.
Применение элементов этого типа несколько ограничено необходимостью подачи газов под давлением, что исключает возможность ис¹ 14682l пользования, например, кислорода воздуха при свободной его циркуляции (без принудительной подачи).
Известны также элементы с пористыми угольными электродами, у которых так называемое «промокание» электродов, т. е. полная пропитка электролитом. предотвращается путем «гидрофобизации», т. е. покрытия внутренней поверхности пор тонким слоем какого-либо несмачиваемого вещества, например, парафина. Для эффективной работы электрода внешний слой его, прилегающий к электролиту, должен па известную глубину пропитываться электролитом. Этим, однако, процесс пропитки обычно не ограничивается Несмотря на гидрофобизацию, этот процесс постепенно развивается дальше и в конце концов, по истечении достаточно длительного времени, все же приводит к уменьшению газопроницаемости и понижению работоспособности электрода.
Указанные выше причины обусловливают трудности обеспечения достаточно длительного срока службы угольных и иных пористых электродов, работающих без применения избыточного давления газа.
С целью устранения указанных недостатков предлагается в водородно-кислородном топливном элементе применять электролит в загущенном состоянии и составлять электродные пластины обеих полярностей (или одной из них, преимущественно положительной) из большого числа узких тонких пластинок, расположенных параллельно одна другой, перпендикулярно к плоскости электродной пластины и разделенных на части своей поверхности тонкими пористыми прокладками, пропитанными электролитом, а на остальной части — газом (водородом для отрицательного электрода и кислородом или воздухом для положительного электрода) .
Основное преимущество предлагаемого водородно-кислородного топливного элемента заключается в том, что созданная вначале (при изготовлении элемента) степень пропитки электродов остается в дальнейшем постоянной, или почти постоянной, так как дальнейшая самопроизвольная пропитка электродов из загущенного электролита не п,роисходит, или происходит лишь в незначительной степени. Этим обусловливается высокая стабильность работы электродов.
Это утверждение безоговорочно относится только к кислородному электроду (в случае щелочных электролитов, представляющих наибольший практический интерес), к водородному же электроду это относится только в том случае, если решена задача удаления воды, образующейся при работе элемента на водородном электроде. В противном случае водородный электрод все время увлажняется образующейся водой и стабильность работы его не может быть достигнута. Задача удаления воды может быть решена. например, с помощью таких известных способов, как применение повышенной температуры работы элемента и многократной циркуляции водорода с отделением влаги, уносимой водородом, в соответствующих охлаждаемых ловушках.
Так как настоящее изобретение относится к элементам, работающих без повышенного давления газа, то оно особый интерес представляет для кислородного электрода, так как позволяет пользоваться кислородом воздуха при свободной его циркуляции. Для водородного электрода оно может представлять интерес в тех случаях, когда запас водорода, необходимый для работы элемента (или батареи), хранится в форме соответствующих химических соединений, например, гидридов металлов, а газообразный водород, подаваемый в элемент, получается путем разложения этих химических соединений. Этот водород можно получать при разных давлениях, но возможность получения и использования его при весьма малых давлениях (незначительно превышающих окружающее атмосферное) имеет существенные преимущества с гочки зрения упрощения и снижения веса требуемой аппаратуры (реактор, коммуникации, вентили и т д.).
В других случаях, в частности, когда водород хранится в сжатом виде в баллонах, не представляет труда применение повышенных давлений водорода и в этих случаях может оказаться более целесообразным использование пористых водородных электродов,,работающих с перепадом давления, поскольку такие электроды способны выдерживать более высокие плотности тока.
Таким образом, данное изобретение может осуществляться в двух вариантах, причем в обоих использустся загущенный электролит. В первом варианте оба электрода выполняются однослойными, частично пропитываются электролитом и работают без перепада; во втором же варианте, только один электрод, а именно кислородный (воздушный), делается однослойным, частично пропитывается электролитом и работает без перепада давления (в частности, с использованием свободной циркуляции воздуха), второй же электрод (водородный) выполняется двухслойным с пропитанным электролитом мелкопористым слоем, и работает с перепадом давления, под действием которого электролит вытесняется из крупнопористого слоя (т- е. так же, как это делается в других известных типах элементов).
Недостатком электродов, работающих без повышенного давления газа, является значительно меньшая плотность тока, которую способны выдерживать такие электроды. Для того, чтобы частично скомпенсировать этот недостаток в предлагаемом элементе применена конфигурация электрода, позволяющая во много раз повысить величину тока, получаемую от электрода с данными внешними размерами. В основу этой конфигурации положен многолстннй опыт работы по конструированию и испытанию электродов воздушной деполяризации, из которого следует, что пластинчатые пористые электроды могут достаточно эффективно работать, будучи расположены перпендикулярно к поверхности электролита и частично погруженными в электролит, причем в основном электродный процесс происходит вблизи от линии границы электролит — воздух на поверхности электрода. Протяженность этой линии имеет первенствующее значение для определения величины тока, при которой способен раоотать электрод, так что, грубо говоря, можчо считать, что величина тока прямо пропорциональна длине этой пограничной линии и можно пользоваться представлением о своеобразной плотности тока, рассчитанной. на единицу длины.
Предлагаемая конфигурация электрода вытекает из указанного выше наблюдения и направлена на то, чтобы насколько возможно увеличить протяженность линии границы электролит газ на поверхности электрода.
На фиг. 1 схематически показан разрез предлагаемого элемента; на фиг. 2 — в увеличенном масштабе часть электродной пластинки.
Электродная пластина прилегает одной плоскостью к электролиту, а другой — к газу, но делается составной из большого числа сложенных вместе узких полосок I, плоскость которых перпендикулярна к плоскости пластины.
Почоски 1 cKладываются Ho BH:IQTH) tQ, а с %31
Полоски 1 вместе с прокладками 2 и 3 стягиваются шпильками 4.
На фиг. 2 цифрой 5 обозначен загущенный электролит, цифрой 6-пространство, заполненное газом (воздухом).
Таким образом, на боковой поверхности каждой полоски создается линия раздела газ †электрол, длина которой равна удвоенной общей ширине (или высоте) электродной пластины. Суммарная длина вышеуказанной линии раздела получается умножением на число полосок и при применении пластин, составленных из большого числа тонких полосок, эта суммарная длина может быть очень большой, а следовательно, сильно увеличивается ток.
Предмет изобретения
Водородно-кислородный топливный элемент с водным электролитом и пористыми электродами из никеля, угля или иного электропроводного материала, работающий без применения избыточного давления подаваемого газа (в частности, воздуха), отличающийся тем, что, в целях предотвращения постепенного промокания электродов, а также увеличения стабильности и величины разрядного тока, применен электролит в загущенном состоянии, а электродные пластины обеих полярностей (или одной из них преимущественно положительные) составлены из большого числа узких тонких пластинок, расположенных параллельно одна другой и перпендикулярно к плоскости электродной пластины и разделенных на части своей поверхностью тонкими пористыми прокладками, пропитанными электролитом, а на остальной части газом (водородом для отрицательного электрода и кислородом или воздухом для положительного электрода).
КигюрсИ
8оВор (.оставите.:и Л. О. Сольц
Редактор Л. H. Гольцов
Гекред А. А. Камышникова Корректор С. Ю. Цверина
Типографии ЦБТИ, Москва, Петровка, 14.
Поди. к печ. 21 V 62 г Фор и а т б у;t. 70, 108,,,; Объем 0,44 изд. л.
Зак. 4782 Тираж 800 Цена 4 коп.
ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Москва, Центр, М. Черкасский пер. д. 2/6.
