Прямой метанольный топливный элемент



Прямой метанольный топливный элемент
Прямой метанольный топливный элемент
G02B6/10 - типа оптического волновода (G02B 6/24 имеет преимущество; приборы и устройства для управления светом с помощью электрических магнитных, электромагнитных или акустических средств G02F 1/00; перенос модуляции модулированного света G02F 2/00; оптические логические элементы G02F 3/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; запоминающие устройства с использованием электрооптических элементов G11C 11/42; электрические волноводы H01P; передача информации с помощью оптических средств H04B 10/00; передающие системы H04J 14/00)

Владельцы патента RU 2691127:

ФАНО РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИПТМ РАН) (RU)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к прямому метанольному топливному элементу, который может использоваться в качестве источника питания, например, для сотовых телефонов. Предложенный топливный элемент в катодной части содержит расположенную между газодиффузионным слоем и электротеплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему со встроенным микронасосом для принудительного удаления воды из системы, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем. На поверхности пьезоэлектрической подложки, покрытой пленкой наноструктурированного углерода, при помощи встречно-штыревого преобразователя, соединенного с высокочастотным генератором, возбуждается поверхностная акустическая волна. Газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя. Акустическая волна взаимодействует с микрообъемами воды, располагающимися в газораспределительных каналах, что способствует принудительному удалению воды. Повышение удельной электрической мощности метанольного топливного элемента является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к областям энергетики, связи, телекоммуникации и может быть использовано, в частности, в качестве источников питания для сотовых телефонов 4-го поколения.

В последние годы резко увеличилась производительность и мультифункциональность мобильных электронных устройств (особенно таких, как мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и ноутбуки) и проблема недостаточной емкости батарей, как источников питания этих устройств, вышла на передний план. В этих условиях резко интенсифицируются разработки источников энергии, в частности, прямых метанольных топливных элементов, способных заменить литиево-ионные батареи, которые подошли к пределу усовершенствований по увеличению плотности электрической мощности.

Достижению высокой плотности электрической мощности у прямых метанольных топливных элементов препятствует нерешенность проблемы заводнения их катодной части (газодиффузионных слоев и газоподводящих микроканалов). Одним из путей преодоления указанной проблемы является разработка топливных элементов, конструкции которых содержат микронасосы для принудительного удаления воды.

Известен прямой метанольный топливный элемент (пат. US 7799453, МПК F04B 17/00; опубл. 2006-02-09), содержащий микронасос для принудительного удаления воды из его катодной части. Микронасос основан на явлении электроосмоса и располагается между газодиффузионным слоем и системой газоподводящих микроканалов.

Существенным недостатком описываемой конструкции является необходимость применения газо- и водопроницаемых электродов, имеющих большую площадь и выполненных из платиновой проволоки, что значительно повышает стоимость изготовления подобного топливного элемента.

Известен, принятый за прототип, прямой метанольный топливный элемент, (пат. US 7179557 (В2), МПК Н01М 8/04, Н01М 8/24, опубл. 2005-06-30), содержащий в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, выполненную из водопроницаемого пористого материала. При этом для организации оттока воды через поры в стенках микроканалов применяется внешний насос.

К недостаткам конструкции данного топливного элемента можно отнести как сложность и дороговизну изготовления пористого материала для газоподводящей системы, так и необходимость применения дополнительного внешнего насоса, что понижает общую энергоэффективность топливного элемента и приводит к увеличению его размеров.

Предлагаемое изобретение решает простым и технологичным способом задачу создания высокоэффективных прямых метанольных топливных элементов, превосходящих существующие в настоящем аналоги по удельной электрической мощности порядка 20%.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией прямого метанольного топливного элемента, содержащего в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, новизна которого заключается в том что в газоподводящую систему встроен микронасос для принудительного удаления воды, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, а газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя.

Оптимальным вариантом материала пьезоэлектрической подложки может быть ниобат лития, однако он не ограничивает предлагаемое изобретение.

Пленка наноструктурированного углерода может быть выполнена из графена или из графена и прикрепленных к нему углеродных нанотрубок.

Предлагаемый прямой метанольный топливный элемент отвечает требованиям компактности, технологичности и надежности, поскольку содержит непосредственно встраиваемый в его катодную часть микронасос, который прост в изготовлении, потребляет мало энергии и не содержит движущихся частей.

Технический эффект предлагаемого прямого метанольного топливного элемента заключается в создании компактного, технологичного и надежного устройства с повышенной приблизительно на 20% удельной мощностью.

Микронасосы, использующие энергию поверхностных акустических волн для транспортировки жидкостей, широко применяются в микрофлюидике, в том числе, для создания лабораторий-на-чипе (lab-on-a-chip). Примеры подобных структур приведены в следующих патентах: WO 2009013705 (A1) - Device for controlling fluid motion into micro/nanochannels by means of surface acoustic waves; WO 0194017 (A1) - Process for manipulation of small quantities of matter. Описанные в указанных патентах микронасосы содержат пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем, выполненным с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, и каналы для перемещения жидкостей под действием поверхностной акустической волны. Встраивание таких микронасосов в катодную часть прямых метанольных топливных элементов невозможно, так как в ней при протекании электрохимических реакций образуются побочные продукты (перекись водорода и различные кислородные радикалы), обладающие высокой химической активностью.

Применение пленок графена, нанесенных на пьезоэлектрическую подложку, описано в патенте WO 2012120457 (A1) - An apparatus for transducing a surface acoustic wave. В патенте предлагается устройство, которое состоит из пьезоэлектрической подложки и расположенных на ее поверхности одного или нескольких электродов, выполненных из графена. Устройство предназначено для преобразования энергии поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке, в электрический сигнал, который снимается с графеновых электродов.

Таким образом, в существующем уровне техники не обнаружено описание конструкции прямого метанольного топливного элемента, использующего для принудительного удаления воды из газоподводящей системы своей катодной части микронасос работающий на поверхностно-акустических волнах.

Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанном прямом метанольном топливном элементе, сообщает ему соответствие критерию «новизна».

Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект - повышение удельной мощности 20%, и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».

Изготовление новой конструкции прямого метанольного топливного элемента с использованием известного оборудования сообщает ему соответствие критерию «промышленная применимость».

На Фиг. 1 представлена схема катодной части предлагаемого прямого метанольного топливного элемента.

а) - вид сверху;

б) - разрез по сечению А-А.

Прямой метанольный топливный элемент содержит в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем (на рисунке не показан) и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной 1 газоподводящую систему, отличающуюся тем, что в нее встроен микронасос для принудительного удаления воды. При этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку 2 с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем 3 и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода 4, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения при помощи контактов 5 с высокочастотным генератором (на рисунке не показан) и с возможностью формирования поверхностной акустической волны. А газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода 4 и выполнена в виде перегородок 6, которые образуют входной 7, выходной 8 и линейные газораспределительные каналы 9. При этом продольные оси линейных газораспределительных каналов 9 перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя 3.

Прямой метанольный топливный элемент работает следующим образом. Его работа основана на протекании двух электрохимических реакций. В анодной части прямого метанольного топливного элемента проходит реакция каталитического окисления смеси метанола и воды с образованием диоксида углерода, протонов и электронов. Протоны проникают через протонообменную мембрану в катодную часть прямого метанольного топливного элемента, где они на катализаторе реагируют с кислородом и электронами, образуя воду. При этом электроны, проходя через внешнюю цепь от анода к катоду, снабжают энергией подключенную к прямому метанольному топливному элементу нагрузку.

Газоподводящие системы как анодной, так и катодной частей содержат: входные каналы, через которые из внешнего источника поступают газообразные реагенты; выходные каналы, которые служат для удаления во вне продуктов электрохимических реакций и избытка реагентов; а также большое число газораспределительных каналов, с помощью которых реагенты подаются к газодиффузионным слоям.

Во избежании накопления в газораспределительных каналах воды, которая может блокировать нормальную работу газоподводящей системы и всего топливного элемента в целом, в предлагаемом нами устройстве от высокочастотного генератора (на рисунке не показан) через контакты 5 на встречно-штыревой преобразователь 3 подается переменное напряжение. При этом на поверхности пьезоэлектрической подложки 2, покрытой пленкой наноструктурированного углерода 4, возбуждается поверхностная акустическая волна. Данная волна, взаимодействуя с микрообъемами воды (на рисунке не показаны), располагающимися в газораспределительных каналах 9, формирует в них неоднородное акустическое поле. Это поле вызывает упорядоченное поступательной движение частиц воды, совпадающее с направлением распространения поверхностной акустической волны.

Покрытие пьезоэлектрической подложки 2, пленкой наноструктурированного углерода 4 позволяет достичь следующих целей:

- за счет высокой химической стойкости наноуглеродных пленок поверхность микронасоса приобретает надежную защиту от побочных продуктов, образующихся в катодной части прямого метанольного топливного элемента и обладающих высокой окислительной способностью;

- снижается мощность высокочастотного генератора, необходимая для перемещения микрообъемов воды.

- При этом фактически отсутствует поглощение энергии поверхностной акустической волны при ее передаче от пьезоэлектрической подложки 2 к микрообъемам воды..

Приведенный ниже пример подтверждает, но не ограничивает применение данного изобретения.

Пример 1.

Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента изготовлен по схеме, описанной выше. В газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, представляющий из себя пьезокристалл ниобата лития (кристаллографическая ориентация поверхности - 128° YX срез), на котором нанесена пленка графена и обособленно от нее с помощью оптической литографии и технологии "lift off" из алюминиевой пленки толщиной 70 нм сформирован встречно-штыревой преобразователь, производящий поверхностную акустическую волну с длиной волны 64 мкм и частотой 62 МГц. При временно отсоединенной анодной части, а также при снятых протонообменной мембране и газодиффузионном слое, в газораспределительные каналы катодной части с помощью микродозатора вводились различные тестовые массивы капель воды. Капли имели объем от 1 до 3 мкл. После включения микронасоса во всех случаях для удаления из газораспределительных каналов всего массива капель требовалось не более 5 секунд. При этом максимальная мощность высокочастотного генератора, необходимая для активации движения капель указанных размеров, не превосходила 1 Вт.

Пример 2.

Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента из примера 1 при работе с выключенным микронасосом продемонстрировал максимальное значение удельной электрической мощности равное 11.9 мВт/см2. В случае работы с включенным микронасосом максимальное значение удельной электрической мощности составило 14.3 мВт/см2 (прирост 20.2%).

Пример 3.

Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента отличается от лабораторного прототипа из примера 1 тем, что в газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, содержащий пленку графена с прикрепленными к нему углеродными нанотрубками. Данный лабораторный прототип при работе с выключенным микронасосом достиг максимальной удельной электрической мощности равной 12.1 мВт/см2. При включении микронасоса значение максимальной удельной электрической мощности повысилось до 14.5 мВт/см2 (прирост 19.8%).

Как видно из приведенных примеров предлагаемая конструкция микронасоса позволяет эффективно удалять воду из катодной части топливных элементов, что делает возможным достижение этими приборами ныне недоступных значений удельной электрической мощности.

1. Прямой метанольный топливный элемент, содержащий в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, отличающийся тем, что в газоподводящую систему встроен микронасос для принудительного удаления воды, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, а газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя.

2. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая подложка выполнена из ниобата лития.

3. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пленка наноструктурированного углерода выполнена из графена.

4. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пленка наноструктурированного углерода выполнена из графена и прикрепленных к нему углеродных нанотрубок.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению газоплотного твердооксидного трубчатого электролита с ионной проводимостью, который может быть использован при изготовлении различных электрохимических устройств, например твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), электролизеров и т.п.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к топливному элементу, который включает в себя генерирующую мощность основную часть, включающую в себя узел мембранного электрода, полимерный каркас, расположенный вокруг генерирующей мощность основной части, и пару разделителей, наслоенных на полимерный каркас с тем, чтобы размещать между собой генерирующую мощность основную часть и полимерный каркас.

Изобретение относится к топливным элементам для транспортных средств. Блок топливных элементов включает в себя батарею топливных элементов, реактивный элемент и корпус, вмещающий в себя батарею топливных элементов и реактивный элемент.

Группа изобретений относится к твердооксидным топливным элементам на металлической опоре. Способ формирования твердооксидного топливного элемента с металлической опорой включает нанесение на металлическую опорную пластину слоя необработанного (зеленого) анода, содержащего оксид никеля, оксид меди и оксид церия, легированный редкоземельным элементом, причем оксид никеля, оксид меди и оксид церия, легированный редкоземельным элементом, измельчают в порошок с распределением d90 размеров частиц от 0,1 до 4 мкм; обжиг слоя зеленого анода для формирования композитного материала, содержащего оксиды никеля и меди, а также оксид церия, легированный редкоземельным элементом; обеспечение электролита и обеспечение катода.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе (1) топливных элементов, которая пригодна для работы с содержащим кислород и инертный газ катодным рабочим газом и содержащим водород и инертный газ анодным рабочим газом, к системе-потребителю, которая работает посредством системы (1) топливных элементов, а также к способу работы системы (1) топливных элементов, и может найти применение в замкнутых системах-потребителях, таких как, например, подводные транспортные средства.

Высокоактивная многослойная тонкопленочная керамическая структура активной части элементов твердооксидных устройств для высокоэффективной генерации тока, генерации водорода электролизом воды, генерации кислорода и азота твердооксидными кислородными насосами, конверсии топливных газов с использованием электрохимических процессов включает твердый электролит, электроды-катализаторы - смешанные ионно-электронные анодный и катодный проводники (СП), обладающие каталитической способностью с использованием электрохимических процессов, и включает активную часть в виде тонкослойной, тонкопленочной структуры, состоящей как минимум из семи слоев.

Изобретение относится к металлическому материалу, используемому в конструкции топливного элемента, электропроводящему компоненту топливного элемента из упомянутого металлического материала, сепаратору топливного элемента, содержащему указанный металлический материал, и электроду топливного элемента, содержащему упомянутый материал.

Изобретение относится к титановому продукту для сепаратора топливного элемента с протонообменной мембраной, сепаратору, включающему в себя этот титановый продукт, и топливному элементу с протонообменной мембраной.

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам на основе твердооксидных элементов (ТОЭ) - элементов с твердым электролитом, точнее к конструкции батареи трубчатых ТОЭ и узлов соединения (УС) ТОЭ в батарею.

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано для получения альфа гидрида алюминия, который находит применение в качестве энергетического компонента топливных элементов и твердых ракетных топлив.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к улучшенному устройству батарейного узла среднетемпературного топливного элемента, рабочая температура которого, как правило, составляет 450-650°C, и может быть использовано при изготовлении батарейных узлов, в которых имеется значительная разница между рабочими напряжениями элементов при данном рабочем режиме батареи, для предотвращения повреждения батареи топливных элементов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе (1) топливных элементов, которая пригодна для работы с содержащим кислород и инертный газ катодным рабочим газом и содержащим водород и инертный газ анодным рабочим газом, к системе-потребителю, которая работает посредством системы (1) топливных элементов, а также к способу работы системы (1) топливных элементов, и может найти применение в замкнутых системах-потребителях, таких как, например, подводные транспортные средства.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к обрабатывающему устройству с собственным источником питания, и содержит обрабатывающее устройство и электрический генератор, которые имеют физическую, электрическую и тепловую связь между собой.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу и системе для получения диоксида (435) углерода, очищенного водорода (213) и электричества из сырьевого реформированного технологического газа (205) с использованием твердооксидного топливного элемента (SOFC) (2), при этом способ и система включают этапы: введения реформированного технологического газа (205) в SOFC (2); в SOFC (2) преобразования водорода и монооксида углерода реформированного технологического газа (205) в комбинации с кислородом в анодный отходящий газ (208), содержащий пар, диоксид углерода и непрореагировавший технологический газ; введения анодного отходящего газа (208) в высокотемпературный реактор (8) конверсии водяного газа; в высокотемпературном реакторе (8) конверсии водяного газа преобразования монооксида углерода и пара в диоксид углерода и водород, введения газа (216), выходящего из высокотемпературного реактора (8) конверсии водяного газа, в низкотемпературный мембранный реактор (4) конверсии водяного газа, в низкотемпературном мембранном реакторе (4) конверсии водяного газа преобразования монооксида углерода и пара в диоксид углерода и водород, при этом низкотемпературный мембранный реактор (4) конверсии водяного газа содержит водородный насос (9), который вырабатывает очищенный водород (213) на стороне (41) для проникания, одновременно удаляя водород с сырьевой стороны (44).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ), содержащей: (i) по меньшей мере одну батарею топливных элементов, содержащую по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент и имеющую анодный вход, катодный вход, анодный выход отходящего газа, катодный выход отходящего газа, и образующую отдельные пути потоков для потока входящего анодного газа, входящего катодного газа, отходящего анодного газа и отходящего катодного газа; и (ii) паровой реформер, предназначенный для риформинга углеводородного топлива в продукт риформинга и имеющий вход реформера для входящего анодного газа, выход реформера для выпуска входящего анодного газа и теплообменник реформера, при этом упомянутый теплообменник реформера представляет собой прямоточный теплообменник в проточном сообщении с (i) упомянутым по меньшей мере одним входом окислителя и катодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и (ii) упомянутым источником топлива и анодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, и предназначен для теплообмена между упомянутым входящим катодным газом и упомянутым входящим анодным газом.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическому генератору, и может быть использовано в качестве источника электропитания для портативной техники и в качестве зарядного устройства аккумуляторов для портативной техники.

Изобретение относится к системе топливных элементов, способу управления системой и предназначено для предотвращения высыхания топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой.

Изобретение относится к твердооксидному топливному элементу или твердооксидной топливной ячейке и способу их эксплуатации. Твердооксидный топливный элемент содержит a) несколько блоков (5) катод-анод-электролит (КАЭ), при этом каждый блок (5) КАЭ содержит первый электрод (51) для окисляющего средства, второй электрод (53) для горючего газа и твердый электролит (52) между первым электродом (51) и вторым электродом (52), и b) металлическое межблочное соединение (40) между блоками (5) КАЭ, при этом межблочное соединение (40) содержит: первый газораспределительный элемент (10), содержащий газораспределительную конструкцию (11) для горючего газа, при этом первый газораспределитвельный элемент (10) находится в контакте со вторым электродом (53) блока (5) КАЭ, и второй газораспределительный элемент (4), содержащий каналы (20а) для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы (20b) для текучей среды для термообработки, при этом каналы (20а) для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом (51) соседнего блока (5) КАЭ, и первый газораспределительный элемент (10) и второй газораспределительный элемент (4) соединены электрически.

Изобретение относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначено для отведения отработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки и управления тепловой энергией, вырабатываемой энергоустановкой в процессе реализации химических реакций.

Изобретение относится к способу эксплуатации бифункциональной электрохимической системы, содержащей анодную и катодную электродные камеры с четырехходовыми клапанами на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной и катодной камерами и с контейнерами хранения водорода и кислорода, насосы, включающему очистку от газов анодной и катодной электродных камер при смене режимов работы, отличающемуся тем, что систему снабжают дополнительными насосами и дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, сообщающимся с источником поступления воды и имеющим выходы для подсоединения трубопроводов к входам анодной и катодной камер бифункциональной электрохимической системы, осуществляют очистку электродных камер путем закачивания в них воды из дополнительного резервуара и вытеснения оставшихся газов из анодной и катодной камер в контейнеры для хранения водорода и кислорода.

Изобретение относится к осветительной системе против обрастания, которая выполнена с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности объекта, которая во время использования подвергается воздействию жидкости.
Наверх