Топливный элемент

Изобретение относится к области химических источников тока, в частности к топливным элементам с твердым полимерным электролитом. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности. Согласно изобретению топливный элемент содержит протонно-проводящую мембрану твердого электролита, с обеих сторон которой расположены каталитически активные металлические сетки, являющиеся токосъемными электродами и выполнены каналы для подвода к токосъемным электродам топлива и окислителя, при этом протонно-проводящая мембрана твердого электролита выполнена в виде композитного изделия с наполнителем из стекловолокнистых тканых материалов, изготовленных из боросиликатных стекол с внутренней поверхностью 10-20 м²/г, а каталитически активные сетки изготовлены из коррозионно-стойких сталей (например, железо-хром-алюминиевых), активированных путем легирования поверхностного слоя металлами платиновой группы до содержания 1% по массе. В результате достигается повышение надежности топливного элемента и упрощение его конструкции. 1 ил.

 

Изобретение относится к области химических источников тока, в частности к топливным элементам с твердым полимерным электролитом.

Известен топливный элемент с твердым полимерным электролитом, содержащий катодный и анодный токосъемные коллекторы, катод и анод, контактирующие с коллекторами и ионообменную мембрану, содержащую каталитический слой, при этом каталитический слой электрически изолирован от коллекторов и расположен ближе к катоду, чем к аноду, в качестве материала для ионообменной мембраны использовался NAFION, а каталитический слой состоит из частиц платинированного углерода или платины (см. патент US №5472799, Кл. Н01М 8/10, 05.12.1985).

Каталитический слой препятствует снижению напряжения на ячейке, обусловленного взаимной диффузией газов к противоположным электродам с образованием воды на катализаторе каталитического слоя, что дает необходимое увлажнение мембраны и электродов (особенно анода) и требуемое низкое омическое сопротивление мембраны и электродов. Однако это ведет к увеличение расхода платиновых металлов, т.к. они используются для изготовления каталитического слоя.

Известен также топливный элемент, содержащий токосъемники, угольные электроды с платиновым катализатором и ионообменную мембрану из твердого полимерного электролита, содержащего один или несколько полых транспортных каналов, расположенных в объеме или на поверхности твердого полимерного электролита и служащих для обеспечения водой твердого полимерного электролита для его увлажнения, причем полые каналы получают в результате растворения одного или более водорастворимых волокон, помещенных в объеме или на поверхности мембраны (см. патент US №5529855, Кл. Н01М 8/02, 25.06.1996).

В данном топливном элементе достигается более низкое сопротивление мембраны, что позволяет снизить омические потери и увеличить напряжение на топливном элементе. Однако в данном топливном элементе с указанной мембраной нельзя применять большие усилия прижатия электродов к мембране, в результате чего топливный элемент имеет большое внутреннее омическое сопротивление за счет большого сопротивления контактов мембраны с электродами и токосъемниками.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является топливный элемент, содержащий протонно-проводящую мембрану твердого электролита, с обеих сторон которой расположены каталитически активные металлические сетки, изготовленные из платины, палладия, никеля и одновременно являющиеся токосъемными электродами (см. патент JP №58126675, Кл. Н01М 8/02, 28.07.1983).

В данном топливном элементе представляется возможным повысить надежность работы за счет армирования ионообменной протонно-проводящей мембраны твердого электролита каталитически активными сетками - токосъемниками. Однако при этом не удается увеличить прочностные характеристики самой мембраны, что сужает возможности по конструктивному исполнению токосъемных электродов и, таким образом ведет к увеличению расхода дорогостоящего материала токосъемных электродов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции топливного элемента и увеличение прочности протонно-проводящей мембраны.

Техническим результатом, достигаемым в результате реализации изобретения, является повышение надежности топливного элемента и упрощение его конструкции.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что топливный элемент содержит протонно-проводящую мембрану твердого электролита, с обеих сторон которой расположены каталитически активные металлические сетки являющиеся токосъемными электродами и выполнены каналы для подвода к токосъемным электродам топлива и окислителя, при этом протонно-проводящая мембрана твердого электролита выполнена в виде композитного изделия с наполнителем из стекловолокнистых тканых материалов, изготовленных из боросиликатных стекол с поверхностью 10-20 м²/г, а каталитически активные сетки изготовлены из коррозионно-стойких сталей (например, железо-хром-алюминиевых), активированных путем легирования поверхностного слоя металлами платиновой группы до содержания 1% по массе.

Топливные элементы с мембраной из твердого, как правило, полимерного электролита обладают особыми преимуществами, потому что они способны обеспечивать потенциально высокую электрическую мощность, обладая при этом малым весом и объемом. Топливные элементы с мембраной из полимерного электролита хорошо известны. Каждый такой топливный элемент содержит "мембранно-электродный узел", представляющий собой тонкий, проводящий протоны полимерный электролит в виде мембраны, имеющей анодный и катодный электроды, размещенные с обеих противоположных сторон мембраны. Обычно такие электролиты в виде мембраны представляют собой ионообменные смолы, типично содержащие перфторполимер сульфокислоты, например, такой как "NAFION", выпускаемый компанией E.I.DuPont DeNemours & Со. Выполнение анодного и катодного электродов из коррозионно-стойких сталей (например, железо-хром-алюминиевых), активированных путем легирования поверхностного слоя металлами платиновой группы до содержания 1% по массе позволяет объединить в одном элементе электрод, содержащий катализатор, необходимый для организации процесса окисления топлива, например водорода, окислителем, например, кислородом, при температуре окружающей среды с выработкой при этом электрической энергии, и токосъемник для отвода выработанной электрической энергии. При этом выполнение токосъемного электрода в виде сетки позволяет организовать процесс отвода продукта реакции окисления топлива - воды без нарушения работы мембранно-электродного узла и использования каких-либо дополнительных условий. Однако использование сетки из дорогостоящих материалов, таких как платина и палладий приводит к резкому удорожанию топливного элемента и, соответственно, сужению области его использования. Выполнение сетки токосъемного электрода из коррозионно-стойкой стали, поверхность которой легирована металлами платиновой группы, позволяет решить сразу несколько задач. Во-первых, снижается стоимость топливного элемента, поскольку масса катализатора при равноценной каталитической активности с платиновой сеткой составляет не более 1% от массы сетки. Во-вторых, повышаются прочностные характеристики токосъемного электрода и, в-третьих, представляется возможность получения более развитой каталитической поверхности токосъемного электрода. Однако армирование материала мембраны сеткой не всегда может предотвратить повреждение мембраны при возможном перепаде давления в каналах для подвода топлива и окислителя и возникающих температурных напряжениях. Поэтому армирование мембраны наполнителем из стекловолокнистых тканых материалов, изготовленных из боросиликатных стекол с поверхностью 10-20 м²/г, позволяет решить проблему повышения механической прочности мембраны. Однако введение наполнителя в материал мембраны может привести к повышению ее омического сопротивления. В ходе проведенного исследования было установлено, что выполнение тканого наполнителя с поверхностью менее 10 м²/г не позволяет существенно повысить прочность материала мембраны, что делает введение наполнителя бесполезным усложнением конструкции топливного элемента. В то же время выполнение тканого наполнителя с поверхностью более 20 м²/г позволяет достигнуть требуемой прочности мембраны, но при этом ее омическое сопротивление возрастает более чем на 20%, что приводит к неприемлемому ухудшению массогабаритных характеристик топливного элемента. Выполнение тканого наполнителя из боросиликатных стекол позволяет сблизить механические характеристики тканого наполнителя и материала мембраны, например, объемное расширение при изменении температурного режима работы топливного элемента при разных электрических нагрузках, и одновременно обеспечить механическую связь материала мембраны и тканого наполнителя.

Мембранно-электродный узел каждого топливного элемента располагают между парой разделительных элементов, которые содержат, как правило, канавки или пуклевки на своих поверхностях для формирования системы каналов для распределения реагентов топливных элементов на поверхностях соответствующих анодного и катодного токосъемных электродов. При выполнении разделительных элементов из электропроводного материала они одновременно могут служить в качестве токоприемников для анодного и катодного электродов при формировании батареи топливных элементов из последовательно электрически соединенных между собой топливных элементов, причем анодный электрод одного единичного топливного элемента отделен от катодного электрода смежного единичного топливного элемента непроницаемой для топлива и окислителя электропроводящим биполярным описанным выше разделительным элементом. В таких батареях топливных элементов топливо вводится между одной поверхностью разделительной пластины и анодной стороной электролита, а окислитель вводится между другой поверхностью разделительной пластины и катодной стороной второго электролита. В результате достигается возможность создания конструктивно простого и надежного в эксплуатации топливного элемента.

На чертеже представлен продольный разрез описываемого топливного элемента.

Топливный элемент содержит протонно-проводящую мембрану 1 твердого электролита, с обеих сторон которой расположены каталитически активные металлические сетки, являющиеся токосъемными электродами 2, и расположены разделительные элементы 3, в которых выполнены каналы 4 для подвода к токосъемным электродам 2 топлива и окислителя. Протонно-проводящая мембрана 1 твердого электролита выполнена в виде композитного изделия с наполнителем 5 из стекловолокнистых тканых материалов, изготовленных из боросиликатных стекол с поверхностью 10-20 м²/г. Каталитически активные металлические сетки изготовлены из коррозионно-стойких сталей, например, железо-хром-алюминиевых, активированных путем легирования поверхностного слоя сеток металлами платиновой группы до содержания 1% по массе.

Множество единичных топливных элементов с мембраной 1, каждый из которых содержит мембранно-электродный узел, представляющий собой тонкий, проводящий протоны электролит в виде мембраны 1 с анодным токосъемным электродом 2 на одной ее поверхности и катодным токосъемным электродом 2 на ее противоположной поверхности соединены последовательно в батарею посредством разделительных элементов 6, которые могут быть выполнены из металлических пластин практически одинаковой формы, имеющих на своей поверхности направляющие поток топлива или окислителя средства, например канавки или пуклевки, для формирования системы каналов, распределяющих реагенты топливных элементов, например водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, на поверхностях соответствующих анодного и катодного токосъемных электродов.

Разделительные элементы 6 могут быть собраны из двух идентичных пластин с образованием между пластинами полого пространства, которое может быть использовано для протока по нему, если это требуется по условиям эксплуатации охладителя, например воды.

Мембрану 1 с наполнителем изготавливают путем пропитки стекловолокнистого тканого наполнителя раствором твердого электролита с последующей сушкой, при этом развитая поверхность наполнителя позволяет увеличить адгезию твердого электролита к стекловолокнистому тканому наполнителю, что обеспечивает улучшение механических характеристик мембраны твердого электролита, стойкость его к ударным и изгибающим нагрузкам.

Каталитически активные металлические сетки могут быть изготовлены из коррозионно-стойких в кислой среде сталей. В качестве такой стали может быть использован железо-хром-алюминиевый сплав, например сплав, который содержит (по массе): хром - 27%, алюминий - 5%, остальное - железо. Данный сплав коррозионно устойчив при взаимодействии с кислой средой твердого электролита, а сетка, выполненная из данного материала, может иметь следующие характеристики: проволока диаметром 0,2 мм и ячейка сетки размером 0,4 мм на 0,4 мм. Активация поверхностного слоя сетки платиной производится методом магнетронной технологии до содержания платины 1 мас.%. Для обеспечения хорошего электрического контакта между сеткой токосъемного электрода 2 и мембраной 1 батарея топливных элементов снабжена прижимными пластинами, установленными по ее краям.

Топливный элемент, содержащий протонно-проводящую мембрану твердого электролита, с обеих сторон которой расположены каталитически активные металлические сетки, являющиеся токосъемными электродами, и выполнены каналы для подвода к токосъемным электродам топлива и окислителя, отличающийся тем, что протонно-проводящая мембрана твердого электролита выполнена в виде композитного изделия с наполнителем из стекловолокнистых тканых материалов, изготовленных из боросиликатных стекол с поверхностью 10-20 м²/г, а каталитически активные сетки изготовлены из коррозионно-стойких сталей, например содержащих сплав железа, хрома и алюминия, активированных путем легирования поверхностного слоя сетки металлами платиновой группы до содержания 1% по массе сетки.