EA011180B1 - Способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе - Google Patents
Способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе Download PDFInfo
- Publication number
- EA011180B1 EA011180B1 EA200700465A EA200700465A EA011180B1 EA 011180 B1 EA011180 B1 EA 011180B1 EA 200700465 A EA200700465 A EA 200700465A EA 200700465 A EA200700465 A EA 200700465A EA 011180 B1 EA011180 B1 EA 011180B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- fuel
- membrane
- preceding paragraphs
- electrolyte
- solution
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 5
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 47
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 31
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical group [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 31
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 25
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 claims description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 12
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 19
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 32
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 12
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 9
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 7
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N Hydroxyethyl methacrylate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCO WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 6
- 229920002818 (Hydroxyethyl)methacrylate Polymers 0.000 description 5
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N N-Vinyl-2-pyrrolidone Chemical compound C=CN1CCCC1=O WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- VHSPRUFVQLFKKA-UHFFFAOYSA-N [Cl-].CC=CC(=O)NCCC[N+](C)(C)C Chemical compound [Cl-].CC=CC(=O)NCCC[N+](C)(C)C VHSPRUFVQLFKKA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical group OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229920001477 hydrophilic polymer Polymers 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- FZGFBJMPSHGTRQ-UHFFFAOYSA-M trimethyl(2-prop-2-enoyloxyethyl)azanium;chloride Chemical compound [Cl-].C[N+](C)(C)CCOC(=O)C=C FZGFBJMPSHGTRQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- XFOZBWSTIQRFQW-UHFFFAOYSA-M benzyl-dimethyl-prop-2-enylazanium;chloride Chemical compound [Cl-].C=CC[N+](C)(C)CC1=CC=CC=C1 XFOZBWSTIQRFQW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 3
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 3
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 2-(2-cyanopropan-2-yldiazenyl)-2-methylpropanenitrile Chemical compound N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LBLYYCQCTBFVLH-UHFFFAOYSA-N 2-Methylbenzenesulfonic acid Chemical compound CC1=CC=CC=C1S(O)(=O)=O LBLYYCQCTBFVLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ITFCTBFBEKRKDC-UHFFFAOYSA-N [O].OC Chemical compound [O].OC ITFCTBFBEKRKDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- FBCQUCJYYPMKRO-UHFFFAOYSA-N prop-2-enyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCC=C FBCQUCJYYPMKRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- -1 that is Polymers 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- YRLUREUNFIRYNP-UHFFFAOYSA-N 1-ethenylpyrrolidin-2-one;methyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound COC(=O)C(C)=C.C=CN1CCCC1=O YRLUREUNFIRYNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DPBJAVGHACCNRL-UHFFFAOYSA-N 2-(dimethylamino)ethyl prop-2-enoate Chemical compound CN(C)CCOC(=O)C=C DPBJAVGHACCNRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KUQRLZZWFINMDP-BGNLRFAXSA-N 2-[(3r,4s,5s,6r)-3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxyethyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCOC1O[C@H](CO)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1O KUQRLZZWFINMDP-BGNLRFAXSA-N 0.000 description 1
- MPNXSZJPSVBLHP-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-n-phenylpyridine-3-carboxamide Chemical compound ClC1=NC=CC=C1C(=O)NC1=CC=CC=C1 MPNXSZJPSVBLHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AUZRCMMVHXRSGT-UHFFFAOYSA-N 2-methylpropane-1-sulfonic acid;prop-2-enamide Chemical compound NC(=O)C=C.CC(C)CS(O)(=O)=O AUZRCMMVHXRSGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 125000003158 alcohol group Chemical group 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- ZADPBFCGQRWHPN-UHFFFAOYSA-N boronic acid Chemical compound OBO ZADPBFCGQRWHPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920006037 cross link polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- SETMGIIITGNLAS-UHFFFAOYSA-N spizofurone Chemical compound O=C1C2=CC(C(=O)C)=CC=C2OC21CC2 SETMGIIITGNLAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229950001870 spizofurone Drugs 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010421 standard material Substances 0.000 description 1
- 238000006277 sulfonation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- NLVXSWCKKBEXTG-UHFFFAOYSA-N vinylsulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)C=C NLVXSWCKKBEXTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
- H01M8/04194—Concentration measuring cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04791—Concentration; Density
- H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04791—Concentration; Density
- H01M8/04805—Concentration; Density of fuel cell exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
- H01M8/083—Alkaline fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
- H01M8/1013—Other direct alcohol fuel cells [DAFC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1044—Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
- H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Предложен способ проведения электрохимической реакции в электрохимическом элементе, содержащем электроды, разделенные мембраной, способной поглощать электролит; при этом способ включает введение в элемент топлива или другого окисляемого компонента и электролита, и окисление топлива в присутствии кислоты или щелочи. В качестве альтернативы или в дополнение, выработка топлива может контролироваться путем включения реагента, способного претерпевать или придавать изменение внешнего вида при окислении или восстановлении; и контроль любого изменения внешнего вида.
Description
Область техники
Данное изобретение относится к способу проведения электрохимической реакции.
Предшествующий уровень техники
В публикации \УО 03/23890 описано, что ионообменные материалы могут создаваться на основе гидрофильных полимеров, то есть полимеров, по своей природе способных абсорбировать и транспортировать воду через собственную молекулярную структуру. Такие материалы хорошо подходят для водородно-кислородных топливных элементов, поскольку выделившаяся вода может быть перераспределена, тем самым предотвращая локальное переполнение или высушивание мембраны. Фактически, существует три способа, при помощи которых гидрофильный материал может быть превращен в ионопроводящий.
Первый способ заключается в образовании ионоактивных центров в результате сополимеризации из раствора ионоактивных мономеров; эта методика описана в заявке на патент \УО 03/23890. В получающемся при этом полимере образуется сильноанионный или сильнокатионный фрагмент, позволяющий ему действовать как анионообменный (АО) или катионообменный (КО) материал, соответственно.
Второй способ заключается во внедрении ионоактивных центров, например, посредством сульфирования молекулы существующего полимера (примером такого полимера является Нафион) или посредством получения привитого сополимера на основе существующей полимерной пленки.
Третий способ заключается в гидратации гидрофильного материала в кислой или щелочной среде. Гидрофильные материалы, такие как ГЭМА (2-гидроксиэтилметакрилат) и ММА-ВП (метилметакрилатвинилпирролидон), не обладают собственными электрическими свойствами и, будучи гидратированы в деионизированной дистиллированной (ДД) воде, обладают хорошим электрическим сопротивлением. Однако, если эти материалы гидратируются в кислом или щелочном растворе, они становятся хорошими проводниками. Недостаток такого подхода заключается в том, что, по мере вымывания раствора электролита, электропроводность снижается и материал с течением времени становится неэлектроактивным. Такое вымывание является серьезной проблемой для электролизеров, где участвующая в реакциях вода обычно присутствует в значительных количествах, а также для водородно-кислородных топливных элементов, где происходит образование воды.
Известны также топливные элементы на основе боргидрида натрия. Как правило, элемент на основе боргидрида стабилизирован за счет использования щелочного раствора, такого как водный раствор гидроксида натрия.
В патентах И8 58804329 и И8 5948558 описываются топливные элементы, в которых боргидридионы (ВН4 -) окисляются на аноде с получением электрического тока. Элемент представляет собой раствор, например, боргидрида натрия. Элементы подобного типа раскрыты также в заявках на патент \УОА-02/00950 и №О-А-02/052664.
Существует два способа окисления боргидрид-ионов. Считается, что при использовании кислых условий боргидрид-ионы окисляются с образованием водорода, который затем расходуется (в данном контексте - процесс «б-типа»). Предполагается, что в щелочных условиях боргидрид-ионы расходуются сразу же, то есть промежуточное выделение водорода отсутствует (в данном контексте - процесс «Ό-типа»). В процессе б-типа вырабатывается более низкое напряжение (приблизительно 1,2 В), чем в процессе Ό-типа (приблизительно 1,6 В), поскольку часть энергии расходуется на выделение водорода.
Хотя приведенные выше публикации имеют отношение к элементам б- и Ό-типов, существует недостаточно доказательств, позволяющих предположить, что может быть получен элемент с высоким КПД, работающий по одному из этих механизмов. Фактически, по-видимому, никто по-настоящему не контролировал, чтобы элемент работал по Ό-типу.
С аналогичными проблемами сталкиваются при работе с топливными элементами на основе спиртов; в настоящее время делаются попытки получить систему, которая бы работала близко к своему теоретическому максимальному напряжению или при приемлемых уровнях плотности мощности.
Другая проблема связана с тем, что количество топлива в элементе уменьшается по мере того, как в нем происходит превращение химической энергии в электрическую. Это уменьшение количества топлива продолжается до тех пор, пока не произойдет быстрого снижения эффективности и элемент, в конечном итоге, не прекратит работу. На этой стадии элемент должен быть повторно заправлен топливом. Заблаговременное предупреждение об уменьшении запасов топлива отсутствует.
Сущность изобретения
Согласно одному из аспектов настоящее изобретение направлено на недостатки третьего подхода к формированию проводимости гидрофильного материала и основано на реализации того, что в топливо (либо другой окисляемый компонент) или в окислитель может быть введена добавка, которая может быть кислой или щелочной; фактически, установлена возможность введения кислого вещества в одну жидкость (например, окислитель) с одновременным введением щелочного вещества в другую жидкость (например, топливо). Аналогично, при использовании такого топлива может быть увеличена проводимость слабоионной гидрофильной мембраны.
Согласно одному из аспектов изобретения способ проведения электрохимической реакции в электрохимическом элементе, содержащем электроды, разделенные гидрофильной мембраной с низкой ионной проводимостью, включает введение в элемент водного раствора, содержащего топливо и/или окислитель, при этом
- 1 011180 любой из них или оба вместе могут содержать электролит, и окисление топлива в присутствии электролита.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение основано на обнаружении того, что АО мембранные материалы, описанные в заявке на патент νθ 03/23890, представляют собой решение проблем, описанных выше по поводу боргидридных элементов. В частности, установлено, что такие материалы при использовании в щелочных условиях способствуют окислению бороната по механизму Ό-типа.
Согласно этому аспекту топливный элемент содержит электроды, разделенные анионообменной мембраной, где в состав мембраны входит гидрофильный полимер, содержащий сильноанионную группу, и где топливо представляет собой раствор боргидрида либо спиртовой раствор. В частности, в результате окисления топлива в электрохимическом элементе, содержащем электроды, разделенные анионообменной мембраной, где в состав мембраны входит гидрофильный полимер, содержащий сильноанионную группу, и где топливо представляет собой раствор боргидрида либо спиртовой раствор, может вырабатываться электрическое напряжение.
Кроме того, настоящее изобретение основано на реализации того, что топливо или добавленный реагент посредством изменения окраски могут быть использованы для индикации того, что необходима повторная загрузка или дозаправка топлива. Например, топливо или окислитель могут претерпевать изменение окраски в ходе реакции.
В соответствии с этим дополнительным аспектом настоящего изобретения является способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе, включающем электроды, разделенные ионообменной мембраной, который включает введение реагента, способного претерпевать изменение или придавать изменение внешнего вида при окислении или восстановлении; и контроль любого изменения внешнего вида.
Другим аспектом изобретения является электрохимический элемент, включающий электроды, разделенные ионообменной мембраной, жидкость, содержащую реагент, способный претерпевать изменение или придавать изменение внешнего вида при окислении или восстановлении, и где в элементе имеется окно, через которое можно наблюдать за внешним видом жидкости.
Данные аспекты изобретения предоставляют простой индикатор визуального контроля работы элемента. В частном случае топливного элемента количество топлива и окислителя можно регулировать таким образом, чтобы изменение окраски по меньшей мере одного из растворов обеспечивало удовлетворительную индикацию того, что вскоре потребуется дозаправка.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Гидрофильный материал может быть неионоактивным, то есть может не обладать собственными электрическими свойствами. В этом случае ионную активность материалу придают с помощью электролита. Альтернативно, гидрофильный материал может иметь слабую ионную активность, имея в своей структуре анионные или катионные центры. Ионную активность гидрофильного материала можно увеличивать при помощи водного электролита. Слабоактивными обычно являются материалы, которые при гидратации в ДД воде имеют ионную проводимость, составляющую менее 60%, обычно менее 50%, от проводимости промышленного стандартного материала, такого как Нафион 117.
Альтернативно, мембрана может представлять собой композиционную структуру, состоящую из нейтрального компонента, и/или АО компонента, и/или КО компонента, как раскрыто в заявке РСТ/СВ2005/002356. Один из ионоактивных материалов может быть по своей природе сильным ионным проводником.
Гидрофильный материал может быть получен при помощи любого известного подходящего способа. Например, слабоионоактивный материал может быть получен способами, описанными в заявке на патент νθ 03/23890, содержание которой включено в данное описание посредством ссылки. Материал предпочтительно является гидрофильным полимером, например, получаемым (со)полимеризацией мономеров, таких как метилметакрилат, акрилонитрил, Ы-винил-2-пирролидон, хлорид [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмония или хлорид [3-(метилакрилоиламино)пропил]триметиламмония, и предпочтительно является сшитым полимером. Например, АО материал предпочтительно представляет собой сополимер гидрофильного и гидрофобного мономеров, предпочтительные мономеры включают акрилонитрил, 1-винил-2-пирролидон, гидроксиэтилметакрилат и метилметакрилат. Предпочтительно, чтобы сильноанионная группа представляла собой или была производной хлорида [3-(метилакрилоиламино)пропил]триметиламмония, хлорида [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмония, гидроксида натрия или гидроксида калия. Наиболее предпочтительными являются АО материалы, приведенные в табл. 1 данного описания.
Например, раствор может содержать реагент, такой как жидкое топливо или окислитель. Приемлемые виды топлива включают спирты (например, метанол и этанол) и боргидриды (например, боргидрид натрия). Примером жидкого окислителя является перекись водорода. Другим примером окислителя является ΚΜηΟ4.
Топливо или другой окисляемый компонент (например, если элемент используют в качестве электролизера) может быть газообразным, однако, предпочтительна жидкость, при этом может потребоваться, чтобы система была несжимаемой. Наличие воды способствует проникновению топлива и/или окислителя внутрь мембраны.
Электролит может быть кислым либо щелочным. Примеры подходящих электролитов включают толуолсульфокислоту (ТСК), винилсульфокислоту, акриламидо-(2-метил)пропансульфокислоту (АМПСК), гидроксид натрия или гидроксид калия. Если реагентом является спирт или боргидрид, предпочтительно, чтобы электролитом была щелочь, такая как гидроксид натрия или калия. Требуемая концентрация электролита
- 2 011180 для специалиста будет очевидной и может регулироваться, например, нормированием его загрузки в элемент.
Следует учесть, что, если топливо представляет собой раствор боргидрида, элемент может работать по механизму б- или Ό-типа в зависимости от используемых условий. Механизм б-типа может осуществляться при простом использовании на аноде платинового катализатора. Для системы Ό-типа предпочтительно, чтобы использовался золотой катализатор, а раствор боргидрида был щелочным раствором, предпочтительно содержащим гидроксид калия или гидроксид натрия.
Когда топливом является спиртовое топливо, предпочтительно, чтобы спирт был метанолом или этанолом, желательно в щелочном растворе. Подходящее топливо может быть стабилизировано кислотой или щелочью. Например, по одну сторону мембраны топливо может быть стабилизировано щелочью и/или по другую сторону мембраны окислитель может быть стабилизирован кислотой. В более общем случае, однако, жидкости по одну или обе стороны мембраны могут быть кислыми или щелочными.
Если сгружены один из электролитов и топливо, элемент будет работать, как если бы он содержал простую кислую или щелочную мембрану. Если загружены оба материала, действие получается комплексным.
Как указано выше, один из аспектов изобретения включает изменение окраски. Реагентом, способным претерпевать изменение окраски, может быть жидкое топливо. Спиртовое топливо, такое как метанол или этанол, окисляется с образованием, в числе прочего, диоксида углерода. Раствор спирта и гидроксида кальция помутнеет в процессе окисления топлива, поскольку выделяющийся диоксид углерода будет взаимодействовать с гидроксидом кальция с образованием карбоната кальция. Таким образом, изменение окраски в данном случае означает изменение светопроницаемости.
В качестве альтернативы или в дополнение, реагент может быть окислителем, который обычно присутствует в виде жидкости. Щелочной раствор перманганата калия при окислении по мере образования манганат-ионов изменяет окраску от фиолетового до зеленого. Если раствор кислый, получается бесцветный раствор. Следует учесть, что сам реагент может изменять окраску либо вызывать изменение окраски ίη δίΐιι (в реакционной смеси).
Топливный элемент может представлять собой мембранно-электродное устройство (МЭУ) или батарею МЭУ. Способы изготовления таких устройств раскрыты в заявке на патент ^Θ-Ά-03/23890.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение.
Материалы
Использованы следующие сокращения и вещества:
Акрилонитрил (АН)
1-Винил-2-пирролидон (ВП)
Гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА)
Метилметакрилат (ММА)
Хлорид [3-(метилакрилоиламино)пропил]триметиламмония (ВА)
Хлорид [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмония (ΒΝ)
Диметиламиноэтилакрилат (ΒΕ)
Хлорид винилбензилтриметиламмония (ВУ)
Гидроксид натрия (ВБ)
Гидроксид калия (ВР)
Вода ВЭЖХ-чистоты (В)
Аллилметакрилат (X)
Азо-бис-изобутиронитрил (Ζ)
Были получены двенадцать материалов для АО мембраны, содержащих ряд щелочных групп, устойчиво полимеризованных в материале. АО материалы имели следующий состав.
Таблица 1
| № образца | ВП | АН | ГЭМА | ММА | ВУ | ВЕ | ВА | ΒΝ | X | В | Ζ |
| 19 | 70,67 | 70,67 | 28,39 | 1,89 | 28,39 | ||||||
| 11 | 69,76 | 69,76 | 27,90 | 1,86 | 27,90 | 2,80 | |||||
| 2д | 70,67 | 70,67 | 28,39 | 1,89 | 28,39 | ||||||
| 21 | 69,76 | 69,76 | 27,90 | 1,86 | 27,90 | 2,80 | |||||
| зд | 70,67 | 70,67 | 28,39 | 1,89 | 28,39 | ||||||
| 31 | 69,76 | 69,76 | 27,90 | 1,86 | 27,90 | 2,80 | |||||
| 4д | 70,67 | 70,67 | 56,78 | 1,89 | |||||||
| 41 | 69,76 | 69,76 | 55,80 | 1,86 | 2,80 | ||||||
| 5д | 70,67 | 70,67 | 34,07 | 1,89 | 22,7 | ||||||
| 51 | 69,76 | 69,76 | 34,86 | 1,86 | 20,92 | 2,80 | |||||
| бд | 70,67 | 70,67 | 28,39 | 1,89 | 28,39 | ||||||
| 61 | 69,67 | 69,67 | 27,90 | 1,86 | 27,90 | 2,80 |
- 3 011180
В табл. 1 индексы «д» и «1» относятся к отверждению под действием гамма-излучения и тепла, соответственно. Все единицы измерения - граммы.
Пример 1. Топливный элемент б-типа на основе боргидрида.
Образец материала 5д, гидратированный в 2М растворе гидроксида калия, использовали в качестве мембраны для топливного элемента на основе боргидрида. Элемент имел следующие характеристики и компоненты:
| активная площадь | 3,142 см2 |
| катализатор на аноде/катоде | ΡΙ-чернь, обработанная 5 мг/см2 раствором Нафиона (1_упп1ес1Г) |
| электрод | графитизированная угле-ткань Е1_АТ, 0,35 мм |
| коллектор тока | сетка из нержавеющей стали 0,85 мм |
Раствор топлива готовили растворением 1 г боргидрида натрия в 100 г воды. Спустя 15 мин на стенках смесителя можно было наблюдать небольшие пузырьки. Было сделано предположение, что они образуются в результате медленного выделения водорода.
Затем приблизительно 10 мл раствора боргидрида натрия вводили непосредственно в анодную камеру топливного элемента. В катодную камеру вводили кислород. Ни топливо, ни окислитель не циркулировали. Холостое напряжение быстро повышали до 0,9495 В. Затем перед проведением поляризационного испытания элемент подвергали серии испытаний на короткое замыкание с различными сопротивлениями. Результаты представлены на фиг. 1 и в табл. 2.
Таблица 2
| Сопротивление (Ом) | Максимальная плотность тока (мА/смг) | Минимальное напряжение (В) | Плотность мощности (мВт/см2) |
| 0,5 | 207,2 | 0,4637 | 96,1 |
| 0,3 | 241,0 | 0,4085 | 98,4 |
| 0(а) | 314,4 | 0,2731 | 85,9 |
| 0(Ь) | 321,0 | 0,2509 | 80,5 |
Элемент показал более высокую, чем ожидалось, эффективность. Максимальная плотность мощности, равная 36,6 мВт/см2 при 53,8 мА/см2, была зарегистрирована при поляризации, а при переходном режиме - равная 98,4 мВт/см2 при 241 мА/см2. Профиль напряжения поляризационной кривой показывает три характеристические области, обычно рассматриваемые как: (1) кинетическая, (ίί) резистивная и (ш) с ограниченным массопереносом. Особый интерес представляет область массопереноса, характеризующаяся уменьшением до нулевого значения напряжения при повышении плотности тока.
Проводили вторую серию испытаний на короткое замыкание. Они были направлены на выявление большей чувствительности по мощности при переходном режиме при увеличении плотности тока. Быстрые испытания на короткое замыкание, такие как эти, предполагают использование топлива, уже имеющегося на поверхности мембраны, и, по существу, не зависят от дополнительного топлива для проникновения сквозь коллектор тока и электродные структуры.
Результаты представлены на фиг. 2. Каждую из экспериментальных точек получали в ходе независимого экспресс-анализа, давая возможность холостому напряжению подняться обратно до 0,9 В перед следующим испытанием. После этого цикла испытаний холостое напряжение составило 0,9793 В.
Во время этих испытаний можно было видеть небольшие пузырьки, медленно образующиеся в анодной камере; было сделано предположение, что это водород. Это подтверждало тот факт, что топливный элемент, несмотря на заполнение непосредственно раствором боргидрида натрия, в действительности, работал на водороде, образующемся на анодном катализаторе.
Затем готовили образец материала 5д, предварительно обработанный 2М раствором гидроксида натрия, и использовали его вместо существующей мембраны в элементе. Оказалось, что это имеет положительное влияние на плотность тока и плотность мощности. При первом введении топлива в элемент холостое напряжение быстро увеличивалось до 0,921 В. Для оценки чувствительности по мощности при переходном режиме проводили серию испытаний на короткое замыкание. Наибольший ток, полученный из элемента, был выше 1,5 А, что соответствовало 478,9 мА/см2.
Максимальная плотность мощности при переходном режиме составила 136,7 мВт/см2 при 307,4 мА/см2.
Пример 2. Топливный элемент Ό-типа на основе боргидрида.
Использовали топливный элемент, аналогичный описанному в примере 1, содержащий анодный катализатор, который представлял собой золотую сетку со следующими характеристиками:
- 4 011180
| чистота | 99,99% |
| диаметр провода | 0,060 мм |
| размер ячейки | 0,25 мм |
| пропускное сечение | 65% |
Тестировали мембранные материалы 4д и 6д. В качестве топлива использовали 10 мас.% боргидрида натрия в 2М растворе гидроксида натрия.
Максимальное холостое напряжение (ХН), полученное при использовании материала 4д, составило 1,5182 В. При использовании материала 6д было достигнуто ХН, равное 1,5296 В. Данные результаты подтверждают тот факт, что щелочная природа гидрофильных мембранных материалов препятствует «неуправляемому» режиму выделения водорода. Сочетание этих условий с золотым катализатором послужило достаточным доказательством прямого окисления боргидрида натрия, то есть протекания процесса по механизму Ό-типа.
Пример 3. Спиртовой топливный элемент.
Конструировали топливный элемент, позволяющий оценить материалы из примера 1 при использовании метанольного и этанольного топлива. Элемент имел следующие характеристики:
сетка нержавеющем номинальная толщина 0,85 мм
| активная площадь | 3,142 см2 |
| анодный катализатор | Р(:Ви-чернь, обработанная 5 мг/см2 раствором Нафиона (Ьупп1есИ) |
| катодный катализатор | РЬчернь, обработанная 5 мг/см2 раствором Нафиона (1упп1есЬ) |
| электрод | графитизированная угле-ткань Е1_АТ, номинальная толщина 0,35 мм |
коллектор тока
На анод элемента подавали по очереди различные виды топлива, включая водород. Для этого подсоединяли короткие силиконовые шланги к входному и выходному отверстиям анода и вводили жидкие виды топлива напрямую шприцом. При использовании в качестве окислителя воздуха катодную камеру оставляли открытой в атмосферу. При использовании кислорода и водорода их подавали при помощи небольшого электролизера под давлением немного выше атмосферного. Ни топливо, ни окислитель не циркулировали. Все испытания проводили при комнатной температуре.
Кривую поляризации записывали для каждой системы и, по возможности, элемент коротко замыкали, чтобы облегчить измерение максимальной плотности тока при переходном режиме. Результаты представлены на фиг. 3 и 4 и в табл. 3.
Таблица 3
| Топливо | Окисли- тель | Макси- мальное ХН(В) | Максимальная плотность мощности (мВт/см2) | Плотность тока @ максимальной мощности (мА/см2) | Максимальная плотность постоянного тока (мА/см2) | Максимальная плотность тока при переходном режиме (мА/см2) |
| Водород | Кислород | 0,86 | 0,18 | 0,76 | 1,69 | 3,72 |
| 2М метанол | Кислород | 0,77 | 0,13 | 0,31 | 1,08 | 5,70 |
| 2М метанол | Воздух | 0,49 | 0,04 | 0,13 | 0,29 | |
| 4М метанол | Кислород | 0,705 | 0,10 | 0,32 | 0,41 | 2,42 |
| 4М метанол 4М КОН | Кислород | 1,175 | 0,72 | 1,85 | 5,48 | 72,93 |
Очевидно, что протестированные элементы успешно работали на всех видах топлива. Добавка в то
- 5 011180 пливо гидроксида калия приводила к значительному увеличению эффективности, плотности мощности, которая увеличивалась в 7 раз. Холостое напряжение, равное 1,175 В, является достаточно высоким и близким к теоретическому максимуму, равному 1,21 В, достигаемому для метанольного топлива.
Кроме того, элементы с прямой подачей метанола (НИМ) работали с использованием материалов 2д, 4д и 5д, а элементы с прямой подачей этанола (ННЭ) работали с применением материалов 4д и 5д. В обеих системах значительной эффективности достигали за счет предварительной обработки АО образцов в щелочном растворе, таком как 2М раствор гидроксида натрия или калия.
На фиг. 5 представлены результаты, полученные для топливного элемента, в котором использовался АО образец 4д, гидратированный в 2М растворе гидроксида натрия, при переменном заполнении топливом на основе метанола и этанола. Для элемента с метанолом получали плотность мощности 12 мВт/см2 при 52 мА/см2. Для элемента с этанолом получали плотность мощности 17 мВт/см2 при 54 мА/см2.
Дополнительное тестирование при различных режимах элемента с этанолом, в котором использовался АО материал 4д, привело к результатам, представленным в табл. 4.
Таблица 4
| Обра- зец | Топливо | Окисли- тель | Макси мально е ХН(В) | Максимальная плотность тока при поляризации (мА/см2) | Плотность тока при переходном режиме (мА/см2) | Максимальная плотность мощности при поляризации (мВт/см2) | Максимальная плотность мощности при переходном режиме (мВт/см2) |
| 4дМВ | 2М этанол | Воздух | 0,6295 | 2,36 | 16,01 | 0,45 | 2,31 |
| (4дГтП | 2М этанол | Кисло- род | 0,6388 | 2,77 | 15,37 | 0,47 | 2,37 |
| |4дЬВ | 2М этанол, 2М МаОН | Кислород | 0,7230 | 8,72 | 52,26 | 1,48 | 6,96 |
| |4дЬ2 Νδ | 2М этанол, 2М ΝβΟΗ | Кислород | 0,8808 | 92,65 | 322,50 | 15,15 | 63,95 |
Дополнительные материалы
Согласно методикам, описанным в заявке на патент \УО 03/23890, получали четыре гидрофильных мембранных материала (с А по И). Состав каждого материала представлен ниже в табл. 5. Материалы А и В являются слабо ионоактивными АО материалами из-за низкой концентрации растворов триметиламмонийхлорида, используемого при их приготовлении. Материалы С и Ό являются неионоактивными.
Таблица 5
| Ингредиент | А | В | С | ϋ |
| 1 -винил-2-пирролидон | 70,67 | 70,67 | 0,00 | 100,00 |
| Акрилонитрил | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 100,00 |
| Гидроксиэтилметакрилат | 70,67 | 70,67 | 100,00 | 0,00 |
| Метилметакрилат | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмония хлорид (80%) | 0,00 | 35,38 | 0,00 | 0,00 |
| [3-(метилакрилоиламино)пропил]триметиламмония хлорид (50%) | 56,60 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| Аллилметакрилат | 1,89 | 1,89 | 0,00 | 2,00 |
| Вода чистоты для ВЭЖХ | 0,00 | 21,22 | 10,00 | 0,00 |
Нример 4.
Топливный элемент, содержащий мембранный материал А, работал на 2М этаноле. Затем этот же элемент работал с использованием 2М этанола, в который был добавлен 2М ΝαΟΗ. Как видно из табл. 6,
- 6 011180 эффективность элемента улучшилась в результате добавления в топливо 2М ΝαΟΗ.
Таблица 6
| Топливо | Окислитель | Холостое напряжение (В) | Максимальная плотность тока при поляризации (мА/см2) | Плотность тока при переходном режиме (мА/см2) | Максимальная плотность мощности при поляризации (мВт/см2) | Максимальная плотность мощности при переходном режиме (мВт/см2) |
| 2М ЕЮН | Кислород | 0,6388 | 2,77 | 15,37 | 0,47 | 2,37 |
| 2М ЕЮН, 2М ИаОН | Кислород | 0,7230 | 8,27 | 52,26 | 1,48 | 6,96 |
Пример 5.
Топливный элемент, содержащий мембранный материал В, работал с использованием трех видов топлива: газообразного водорода, 4М метанола и 4М метанола, в который был добавлен 4М ΚΟΗ. Окислителем во всех случаях был кислород. Из табл. 7 видно, что добавление ΚΟΗ в метанольное топливо оказывает положительное влияние на эффективность.
Таблица 7
| Топливо | Окислитель | Холостое напряжение (В) | Максимальная плотность тока при поляризации (мА/см2) | Плотность тока при переходном режиме (мА/см2) | Максимальная плотность мощности при поляризации (мВт/см2) |
| Водород | Кислород | 0,860 | 1,69 | 3,72 | 0,18 |
| 4М МеОН | Кислород | 0,705 | 0,41 | 2,24 | ο,ι I |
| 4М МеОН, 4М КОН | Кислород | 1,175 | 5,46 | 72,93 | 0,7 |
Пример 6.
Топливный элемент на основе 4М метанола, содержащий мембранный материал С, давал пиковое значение плотности мощности, равное 0,0006875 мВт/см2, то есть, практически, нулевое. Аналогичный результат был получен при использовании материала Ό. Добавление в топливо ΝαΟΗ оказывало значительное влияние на эффективность, приводя к пиковому значению плотности мощности выше 1 мВт/см2, пиковому значению плотности тока, равному 9,8 мА/см2, и к пиковому значению плотности тока при переходном режиме, равному 30 мА/см2.
Пример 7.
Топливный элемент, содержащий анионный ТПЭ, заполняли раствором с 1 мас.% боргидрида натрия (топливо), в который был добавлен 2М раствор гидроксида калия, и раствором с 1 мас.% перманганата калия (окислитель), в который был добавлен 2М раствор гидроксида калия.
Поляризационные данные представлены на фиг. 6. Элемент достиг величины ХН, равной 1,5 В. Раствор окислителя был фиолетовым, но с течением времени начал изменять окраску к зеленому, показывая, что скоро потребуется повторная загрузка или дозаправка топлива. Изменение окраски может быть приписано манганат-ионам, образующимся при восстановлении перманганат-ионов.
Пример 8.
Топливный элемент, содержащий катионный ТПЭ, работал на растворе с 1 мас.% боргидрида натрия (топливо) и растворе с 1 мас.% перманганата калия (окислитель), в который была добавлена 0,1М серная кислота.
Поляризационные данные представлены на фиг. 7. Элемент достиг величины ХН, равной 2 В. Раствор окислителя изменил окраску от фиолетового до бесцветного, что заблаговременно предупреждает о необходимости повторной загрузки или дозаправки топлива.
- 7 011180
Пример 9.
Топливный элемент, содержащий анионный ТПЭ, работал на 2М метанольном растворе (топливо), в который был добавлен раствор гидроксида кальция, и растворе с 1 мас.% перекиси водорода (окислитель).
Топливо изменилось от прозрачного до мутного, что заблаговременно предупреждает о необходимости повторной загрузки или дозаправки топлива. Изменение светопроницаемости происходит из-за образования карбоната кальция посредством реакции гидроксида кальция и диоксида углерода, при этом диоксид углерода является продуктом окисления метанола.
Claims (15)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Способ проведения электрохимической реакции в электрохимическом элементе, содержащем электроды, разделенные мембраной, способной поглощать электролит, включающий введение в элемент окисляемого компонента и электролита и окисление топлива в присутствии кислоты или щелочи посредством того, что топливо и окислитель приводят в контакт с соответствующими катализатором и электродами, разделенными мембраной.
- 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мембрана является неионоактивной.
- 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что мембрана обладает относительно низкой проводимостью в отсутствии введенных компонентов.
- 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ионная проводимость мембраны составляет менее 60% от ионной проводимости Нафиона 117.
- 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что окисление включает введение жидкого окислителя.
- 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что один из окисляемых компонентов и окислитель содержат кислоту, а другой содержит щелочь.
- 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что окисляемый компонент является топливом, которое представляет собой спирт или боргидрид.
- 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что топливо представляет собой метанол, этанол или боргид рид натрия.
- 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что электролитом является щелочь.
- 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что электролитом является гидроксид натрия или гидроксид калия.
- 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что элемент представляет собой мембранно-электродное устройство (МЭУ) или батарею МЭУ.
- 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что мембрана представляет собой композиционную мембрану из любой комбинации нейтрального, анионообменного и катионообменного материалов.
- 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что анод содержит катализатор.
- 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что катализатор содержит платину.
- 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что катализатор содержит золото.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB0420961A GB0420961D0 (en) | 2004-09-21 | 2004-09-21 | Fuel cell |
| GB0504460A GB0504460D0 (en) | 2005-03-03 | 2005-03-03 | Method |
| GB0504465A GB0504465D0 (en) | 2005-03-03 | 2005-03-03 | Method |
| PCT/GB2005/003644 WO2006032887A2 (en) | 2004-09-21 | 2005-09-21 | Use of an electrochemical cell such as a fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200700465A1 EA200700465A1 (ru) | 2007-10-26 |
| EA011180B1 true EA011180B1 (ru) | 2009-02-27 |
Family
ID=36090378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200700465A EA011180B1 (ru) | 2004-09-21 | 2005-09-21 | Способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20080187795A1 (ru) |
| EP (2) | EP1810359B1 (ru) |
| JP (1) | JP2008513969A (ru) |
| KR (1) | KR20070083631A (ru) |
| AU (1) | AU2005286243B2 (ru) |
| CA (1) | CA2583418A1 (ru) |
| EA (1) | EA011180B1 (ru) |
| WO (1) | WO2006032887A2 (ru) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1771902A4 (en) * | 2004-06-30 | 2009-09-16 | Georgia Tech Res Inst | MICROSTRUCTURES AND METHODS OF MAKING |
| GB0611600D0 (en) | 2006-06-13 | 2006-07-19 | Itm Fuel Cells Ltd | Improvements to membranes |
| WO2008096244A1 (en) * | 2007-02-08 | 2008-08-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and fuel cell system |
| GB201109281D0 (en) * | 2011-06-02 | 2011-07-20 | Itm Power Research Ltd | Membrane |
| TW201504477A (zh) * | 2013-07-17 | 2015-02-01 | Industrie De Nora Spa | 電解電池和鹼溶液電解槽以及在電池內之電解方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000035032A1 (en) * | 1998-12-10 | 2000-06-15 | Hockaday Robert G | Micro-fuel cell power devices |
| US20030003348A1 (en) * | 2002-07-17 | 2003-01-02 | Hanket Gregory M. | Fuel cell |
| WO2003017396A1 (en) * | 2001-08-20 | 2003-02-27 | Energetics, Inc. | Amine-based fuel cell/battery with high specific energy density |
| WO2003023890A2 (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-20 | Itm Power Ltd. | Hydrophilic polymers and their use in electrochemical cells |
| EP1328033A2 (en) * | 2002-01-11 | 2003-07-16 | Hewlett-Packard Company | Dye-based fuel-concentration indicator system for fuel cells |
| US20030134163A1 (en) * | 2002-01-14 | 2003-07-17 | The Board Of Trustees Of University Of Illinois. | Electrochemical cells comprising laminar flow induced dynamic conducting interfaces, electronic devices comprising such cells, and methods employing same |
| WO2003062493A1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-31 | Polyfuel, Inc. | Acid-base proton conducting polymer blend membrane |
| WO2004021486A2 (en) * | 2002-08-28 | 2004-03-11 | Newcastle University Ventures Limited | Fuel cell electrode |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5804329A (en) | 1995-12-28 | 1998-09-08 | National Patent Development Corporation | Electroconversion cell |
| US5948558A (en) * | 1997-03-27 | 1999-09-07 | National Patent Development Corporation | High energy density boride batteries |
| WO2002000950A2 (en) | 2000-06-23 | 2002-01-03 | Millenium Energy, Llc | Compositions for use as electrode materials and for hydrogen production |
| US20020037452A1 (en) | 2000-06-23 | 2002-03-28 | Schmidt David G. | Novel compositions for use in batteries, capacitors, fuel cells and similar devices and for hydrogen production |
| JP2004134355A (ja) * | 2002-08-16 | 2004-04-30 | Fuji Photo Film Co Ltd | 燃料電池、電子機器、携帯端末及びカメラ |
-
2005
- 2005-09-21 EP EP05784370.8A patent/EP1810359B1/en not_active Not-in-force
- 2005-09-21 EA EA200700465A patent/EA011180B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2005-09-21 CA CA002583418A patent/CA2583418A1/en not_active Abandoned
- 2005-09-21 US US11/575,526 patent/US20080187795A1/en not_active Abandoned
- 2005-09-21 EP EP10166960A patent/EP2237350A1/en not_active Withdrawn
- 2005-09-21 WO PCT/GB2005/003644 patent/WO2006032887A2/en active Application Filing
- 2005-09-21 AU AU2005286243A patent/AU2005286243B2/en not_active Ceased
- 2005-09-21 JP JP2007532954A patent/JP2008513969A/ja not_active Withdrawn
- 2005-09-21 KR KR1020077007713A patent/KR20070083631A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000035032A1 (en) * | 1998-12-10 | 2000-06-15 | Hockaday Robert G | Micro-fuel cell power devices |
| WO2003017396A1 (en) * | 2001-08-20 | 2003-02-27 | Energetics, Inc. | Amine-based fuel cell/battery with high specific energy density |
| WO2003023890A2 (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-20 | Itm Power Ltd. | Hydrophilic polymers and their use in electrochemical cells |
| EP1328033A2 (en) * | 2002-01-11 | 2003-07-16 | Hewlett-Packard Company | Dye-based fuel-concentration indicator system for fuel cells |
| US20030134163A1 (en) * | 2002-01-14 | 2003-07-17 | The Board Of Trustees Of University Of Illinois. | Electrochemical cells comprising laminar flow induced dynamic conducting interfaces, electronic devices comprising such cells, and methods employing same |
| WO2003062493A1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-31 | Polyfuel, Inc. | Acid-base proton conducting polymer blend membrane |
| US20030003348A1 (en) * | 2002-07-17 | 2003-01-02 | Hanket Gregory M. | Fuel cell |
| WO2004021486A2 (en) * | 2002-08-28 | 2004-03-11 | Newcastle University Ventures Limited | Fuel cell electrode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20080187795A1 (en) | 2008-08-07 |
| EP1810359A2 (en) | 2007-07-25 |
| WO2006032887A2 (en) | 2006-03-30 |
| EP2237350A1 (en) | 2010-10-06 |
| AU2005286243A1 (en) | 2006-03-30 |
| WO2006032887A3 (en) | 2007-02-22 |
| EP1810359B1 (en) | 2013-12-25 |
| EA200700465A1 (ru) | 2007-10-26 |
| AU2005286243B2 (en) | 2009-05-28 |
| CA2583418A1 (en) | 2006-03-30 |
| KR20070083631A (ko) | 2007-08-24 |
| JP2008513969A (ja) | 2008-05-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Goor et al. | High power direct methanol fuel cell for mobility and portable applications | |
| Sun et al. | Effect of electrolyte concentration difference on hydrogen production during PEM electrolysis | |
| JP6189327B2 (ja) | 再生燃料電池 | |
| CN107706435B (zh) | 一种双极膜型直接硼氢化物燃料电池 | |
| EA011180B1 (ru) | Способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе | |
| KR20150049753A (ko) | 레독스 흐름전지용 바나듐 이온 저투과성 양쪽성 이온 교환막 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 | |
| Jamard et al. | Life time test in direct borohydride fuel cell system | |
| Kizewski et al. | Alkaline electrolytes and reference electrodes for alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells | |
| CN107240708B (zh) | 一种用于燃料电池的两性离子交换膜及其制备方法 | |
| AU741520B2 (en) | Electrolytic reactor such as fuel cell with zeolite membrane | |
| WO2009157894A1 (en) | Membrane with increased durability from partial ion exchange | |
| KR20060134002A (ko) | 전기화학 반응을 수행하는 방법 | |
| Wen et al. | Bifunctional redox flow battery: 2. V (III)/V (II)–l-cystine (O2) system | |
| US3261716A (en) | Method of operating a fuel cell containing a sulfuric-nitric acid electrolyte | |
| Wang et al. | Dual oxidation by hybrid electrode: Efficiency enhancement of direct hypophosphite fuel cell | |
| US20080090125A1 (en) | Hydrogen Supply System | |
| CN212257560U (zh) | 一种燃料电池堆性能提升装置及系统 | |
| JP2014135212A (ja) | 燃料電池システム | |
| CN219419092U (zh) | 一种燃料电池气体扩散电极测试装置 | |
| MX2007003277A (es) | Uso de una celda electroquimica tal como una celda de combustible | |
| Kushner et al. | Hydrogen‐Based Flow Batteries | |
| CN111668505A (zh) | 一种燃料电池性能提升装置、系统及方法 | |
| RU2105395C1 (ru) | Электрохимический преобразователь энергии | |
| CN101057362A (zh) | 一种电化学电池例如燃料电池的用途 | |
| RU2487442C1 (ru) | Способ активации мембранно-электродного блока |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |