RU160133U1 - SOLID POLYMER FUEL ELEMENT - Google Patents

SOLID POLYMER FUEL ELEMENT Download PDF

Info

Publication number
RU160133U1
RU160133U1 RU2015142871/07U RU2015142871U RU160133U1 RU 160133 U1 RU160133 U1 RU 160133U1 RU 2015142871/07 U RU2015142871/07 U RU 2015142871/07U RU 2015142871 U RU2015142871 U RU 2015142871U RU 160133 U1 RU160133 U1 RU 160133U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
cathode
fuel cell
membrane
gas
Prior art date
Application number
RU2015142871/07U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ирина Александровна Стенина
Алексей Владимирович Левченко
Екатерина Юрьевна Сафронова
Андрей Борисович Ильин
Евгений Александрович Сангинов
Юрий Анатольевич Добровольский
Андрей Борисович Ярославцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН)
Priority to RU2015142871/07U priority Critical patent/RU160133U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU160133U1 publication Critical patent/RU160133U1/en

Links

Images

Classifications

    • 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

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

1. Твердополимерный топливный элемент, состоящий из мембранно-электродного блока, анода, катода и средства для герметизации, в котором: мембранно-электродный блок содержит протонпроводящую мембрану с нанесенным на ее поверхность с двух сторон катализатором и расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем; анод и катод, расположенные с внешней стороны мембранно-электродного блока, выполнены в виде электропроводящих пластин с газораспределительными каналами, токовыми выводами и окнами для подвода и отвода водорода в качестве анодного газа и кислорода или воздуха в качестве катодного газа; средства для герметизации представляют собой упругие прокладки, расположенные с внешних сторон анода и катода, и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам электропроводящих пластин, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют периферийные отверстия для их герметизации путем стяжки; отличающийся тем, что в его составе использована протонпроводящая мембрана, полученная допированием сульфокатионитных перфторированных мембран неорганическими допантами и имеющая ионную проводимость не менее 10См/см при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.2. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что анодный и катодный газодиффузионные слои выполнены из пористой углеродной бумаги.3. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящие пластины с газораспределительными каналами выполнены либо из металла, либо из композиционного графит-содержащего материала.4. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что подвод водорода в качестве анодного газа осуществляется из б1. Solid polymer fuel cell, consisting of a membrane-electrode block, anode, cathode and sealing means, in which: the membrane-electrode block contains a proton-conducting membrane with a catalyst deposited on its surface on both sides and located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer ; the anode and cathode located on the outside of the membrane-electrode block are made in the form of electrically conductive plates with gas distribution channels, current leads and windows for supplying and discharging hydrogen as an anode gas and oxygen or air as a cathode gas; means for sealing are elastic gaskets located on the outer sides of the anode and cathode, and are equipped with fittings for supplying gases to the windows of the electrically conductive plates, while all the components of the fuel element in their planes have peripheral holes for sealing them by tightening; characterized in that its composition uses a proton-conducting membrane obtained by doping sulfocationic perfluorinated membranes with inorganic dopants and having an ionic conductivity of at least 10 cm / cm with a feed gas moisture of 5% rel. and higher. 2. A fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode and cathode gas diffusion layers are made of porous carbon paper. A fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrically conductive plates with gas distribution channels are made of either metal or a composite graphite-containing material. A fuel cell according to claim 1, characterized in that the supply of hydrogen as an anode gas is carried out from

Description

Топливный элемент относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха или чистым кислородом в электрическую энергию. Для обеспечения достаточной мощности он обычно используется в составе батарей топливных элементовA fuel cell belongs to the field of chemical current sources with direct conversion of the chemical energy of hydrogen oxidation by atmospheric oxygen or pure oxygen into electrical energy. To provide sufficient power, it is usually used as part of fuel cell batteries.

Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и топливные элементы, является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий коэффициент полезного действия, который теоретически может достигать 100%, однако эффективность преобразования энергии в топливном элементе зависит от многих факторов, и в том числе в значительной мере от использованных материалов. Существующие батареи твердополимерных топливных элементов имеют очень низкую эффективность работы при низких влажностях окружающей среды в связи с низкой проводимостью протонобменной мембраны. Поэтому важной задачей является повышение эффективности работы таких топливных элементов в условиях низкой влажности.One of the strengths of electrochemical energy converters, which include fuel cells, is their high energy efficiency. Due to direct energy conversion, they have a high efficiency, which theoretically can reach 100%, however, the energy conversion efficiency in a fuel cell depends on many factors, including to a large extent on the materials used. Existing solid polymer fuel cell batteries have a very low efficiency at low ambient humidity due to the low conductivity of the proton exchange membrane. Therefore, an important task is to increase the efficiency of such fuel cells in low humidity conditions.

Известна батарея топливных элементов (RU 2387053, МПК H01M 8/10, H01M 8/24, опубликован 20.04.2010), включающая два топливных элемента, каждый из которых включает анодный электрод с анодным газодиффузионным слоем и катализатором, катодный электрод с катодным газодиффузионным слоем и катализатором, а также твердый полимерный электролит, расположенный между катодным и анодным диффузионными слоями.A known fuel cell battery (RU 2387053, IPC H01M 8/10, H01M 8/24, published 04/20/2010), comprising two fuel cells, each of which includes an anode electrode with an anode gas diffusion layer and a catalyst, a cathode electrode with a cathode gas diffusion layer and a catalyst, as well as a solid polymer electrolyte located between the cathode and anode diffusion layers.

Недостатком является то, что в качестве топлива применяют 30% водный раствор метанола, что, в сочетании с относительно низкой ионной проводимостью твердого полимерного электролита, обеспечивает плотность генерируемого тока единичного топливного элемента лишь до 5 мА/см2 при разности потенциалов 1,5 В, а значит, удельную мощность менее 75 мВт/см2.The disadvantage is that a 30% aqueous solution of methanol is used as fuel, which, combined with the relatively low ionic conductivity of the solid polymer electrolyte, provides a current density of a single fuel cell of only 5 mA / cm 2 with a potential difference of 1.5 V, which means that the specific power is less than 75 mW / cm 2 .

Очевидно, что недостатком является также необходимость увлажнения топлива для питания топливных элементов для снижения электрического сопротивления.Obviously, the disadvantage is the need to moisten the fuel to power the fuel cells to reduce electrical resistance.

Известен топливный элемент (US 20120034542, МПК Н01М 8/00), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Данный топливный элемент включает мембранно-электродный блок, содержащий протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем, содержащим катализатор и катодным газодиффузионным слоем, содержащим катализатор, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродного блока, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродного блока и токовые выводы. В качестве протонпроводящей мембраны в указанном патенте предлагается использовать мембрану Nafion или мембрану МФ-4СК.Known fuel cell (US 20120034542, IPC H01M 8/00), which coincides with this technical solution for the largest number of essential features and adopted as a prototype. This fuel cell includes a membrane-electrode block containing a proton-conducting membrane located between the anode gas diffusion layer containing the catalyst and the cathode gas diffusion layer containing the catalyst, to which the anode and cathode are adjacent, made in the form of an electrically conductive plate with windows for supplying the cathode gas, the plate with gas distribution channels for supplying and removing anode gas, located on the anode side of the membrane-electrode block, means for tightening the fuel o element, means for sealing in the form of elastic gaskets in the peripheral part of the membrane-electrode block and current leads. It is proposed to use a Nafion membrane or an MF-4SK membrane as a proton-conducting membrane in this patent.

К недостаткам относится то, что сопротивление таких мембран очень чувствительно к изменению влажности окружающей среды. Для работы топливного элемента при влажности менее 50% отн. необходимо использовать существенно увлажненные водород и воздух для питания топливных элементов. Кроме того, необходимо предотвращать топливный элемент от колебаний температуры, которые могут привести к конденсации влаги, «затоплению» и выходу из строя топливного элемента. Это приводит к существенному усложнению конструкции энергоустановок на основе топливных элементов, и, в связи с этим, снижению надежности.The disadvantages include the fact that the resistance of such membranes is very sensitive to changes in environmental humidity. For operation of a fuel cell at a humidity of less than 50% rel. Essentially moistened hydrogen and air must be used to power the fuel cells. In addition, it is necessary to prevent the fuel cell from temperature fluctuations, which can lead to moisture condensation, “flooding” and failure of the fuel cell. This leads to a significant complication of the design of power plants based on fuel cells, and, in this regard, reduced reliability.

Настоящая полезная модель направлена на разработку твердополимерного топливного элемента, имеющего удельную мощность не менее 100 мВт/см2 без дополнительного увлажнения питающих газов, за счет использования мембраны с ионной проводимостью не менее 10-3 См/см (Сименс на сантиметр) при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.This utility model is aimed at developing a solid polymer fuel cell having a specific power of at least 100 mW / cm 2 without additional humidification of the feed gas by using a membrane with an ionic conductivity of at least 10 -3 S / cm (Siemens per centimeter) with feed gas humidity from 5% rel. and higher.

Технический результат достигается тем, что предложен твердополимерный топливный элемент, состоящий из мембранно-электродного блока, анода, катода и средства для герметизации, в котором: мембранно-электродный блок содержит протонпроводящую мембрану с нанесенным на ее поверхность с двух сторон катализатором и расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем; анод и катод, расположенные с внешней стороны мембранно-электродного блока, выполнены в виде электропроводящих пластин с газораспределительными каналами, токовыми выводами и окнами для подвода и отвода водорода в качестве анодного газа и кислорода или воздуха в качестве катодного газа; средства для герметизации представляют собой упругие прокладки, расположенные с внешних сторон анода и катода, и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам электропроводящих пластин, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют перефирийные отверстия для их герметизации путем стяжки; отличающийся тем, что в его составе использована протонпроводящая мембрана, полученная допированием сульфокатионитных перфторированных мембран неорганическими допантами и имеющая ионную проводимость не менее 10-3 См/см при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.The technical result is achieved by the fact that a solid polymer fuel cell is proposed consisting of a membrane-electrode block, an anode, a cathode and a sealing means, in which: a membrane-electrode block contains a proton-conducting membrane with a catalyst deposited on its surface on both sides and located between the anode gas diffusion a layer and a cathode gas diffusion layer; the anode and cathode located on the outside of the membrane-electrode block are made in the form of electrically conductive plates with gas distribution channels, current leads and windows for supplying and discharging hydrogen as an anode gas and oxygen or air as a cathode gas; means for sealing are elastic gaskets located on the outer sides of the anode and cathode, and are equipped with fittings for supplying gases to the windows of the electrically conductive plates, while all the components of the fuel element in their planes have peripheral holes for sealing them by tightening; characterized in that its composition uses a proton-conducting membrane obtained by doping sulfocationic perfluorinated membranes with inorganic dopants and having an ionic conductivity of at least 10 -3 S / cm with a feed gas humidity of 5% r. and higher.

Целесообразно, чтобы анодный и катодный газодиффузионные слои были выполнены из пористой углеродной бумаги.It is advisable that the anode and cathode gas diffusion layers were made of porous carbon paper.

Целесообразно также, чтобы электропроводящие газораспределительные пластины были выполнены либо из металла, либо из композиционного графит-содержащего материала.It is also advisable that the electrically conductive gas distribution plates were made of either metal or composite graphite-containing material.

Желательно, чтобы подвод водорода в качестве анодного газа осуществлялся из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона.It is desirable that the supply of hydrogen as the anode gas is carried out from a high-pressure cylinder, or from a metal hydride cylinder.

Возможно, чтобы подвод и отвод кислорода или воздуха в качестве катодного газа осуществлялся за счет управляемых вентиляторов, либо производился в конвекционном режиме.It is possible that the supply and removal of oxygen or air as the cathode gas was carried out by controlled fans, or carried out in convection mode.

Важно, чтобы в составе батареи из отдельных топливных элементов, направленных друг к другу анодом к катоду, средствами для их герметизации в виде упругих прокладок и токовыми выводами с электропроводящих пластин были снабжены только крайние топливные элементы батареи.It is important that, as part of a battery of separate fuel cells, directed to each other by an anode to the cathode, only the outermost fuel cells of the battery are equipped with means for sealing them in the form of elastic gaskets and current leads from electrically conductive plates.

Технический результат достигается также тем, что для допирования сульфокатионитной перфторированной протонпроводящей мембраны использовали модифицированный оксид кремния и/или соли гетерополикислот, синтезированных непосредственно в матрице мембраны.The technical result is also achieved by the fact that for the doping of the sulfation-cation perfluorinated proton-conducting membrane, modified silicon oxide and / or salts of heteropoly acids synthesized directly in the membrane matrix were used.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в составе топливного элемента используется протонпроводящая мембрана, имеющая ионную проводимость не менее 10-3 См/см при пониженной влажности питающих газов от 5% отн. и выше, что позволяет обеспечить удельную мощность топливного элемента не менее 100 мВт/см2, при этом не требуется дополнительного увлажнения газов. Указанная мембрана может быть получена из сульфокатионитной перфторированной протонпроводящей мембраны ее допированием неорганическими допантами, например модифицированным оксидом кремния и/или солями гетерополикислот, синтезированными непосредственно в матрице мембраны.The essence of the proposed utility model is that a proton-conducting membrane having an ionic conductivity of at least 10 -3 S / cm with a low humidity of feed gases from 5% rel. Is used as part of the fuel cell. and higher, which allows to provide a specific power of the fuel cell of at least 100 mW / cm 2 , while additional gas humidification is not required. The specified membrane can be obtained from a sulfocationite perfluorinated proton-conducting membrane by doping it with inorganic dopants, for example, modified silica and / or heteropoly acid salts synthesized directly in the membrane matrix.

Модификацию мембраны Nafion 212 проводили методом in situ - введением допанта в матрицу готовой пленки. Для введения частиц гидратированного оксида кремния образец помещали в спиртовой раствор тетраэтоксисилана и обрабатывали водным раствором аммиака. Далее мембрану Nafion 212 + SiO2 последовательно обрабатывали раствором гетерополикислоты и карбоната цезия.Modification of the Nafion 212 membrane was carried out by the in situ method - the introduction of a dopant into the matrix of the finished film. To introduce hydrated silica particles, the sample was placed in an alcohol solution of tetraethoxysilane and treated with aqueous ammonia. Next, the Nafion 212 + SiO 2 membrane was sequentially treated with a solution of heteropoly acid and cesium carbonate.

Технический результат может быть реализован в топливных элементах любой конструкции, например, указанной в прототипе или в топливных элементах и батареях топливных элементов имеющих «классическую» конструкцию. Отличие заключается в том, что мембранно-электродный блок заявленного элемента содержит протонпроводящую мембрану, имеющую высокую ионную проводимость при низкой влажности. В зависимости от условий применения и требуемых параметров топливного элемента, электропроводящие пластины с газораспределительными каналами могут быть выполнены из металлов и их сплавов с использованием различных покрытий на их поверхности для повышения стойкости к коррозии и снижения переходных сопротивлений. При больших мощностях топливного элемента, требующих его охлаждения, внутри электропроводящих пластин могут располагаться дополнительные каналы для теплоносителя. Таким образом, использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, дает возможность создавать батарей топливных элементов высокой, до сотен киловатт, мощности.The technical result can be implemented in fuel cells of any design, for example, specified in the prototype or in fuel cells and fuel cells having a "classic" design. The difference lies in the fact that the membrane-electrode block of the claimed element contains a proton-conducting membrane having high ionic conductivity at low humidity. Depending on the conditions of use and the required parameters of the fuel cell, the electrically conductive plates with gas distribution channels can be made of metals and their alloys using various coatings on their surface to increase corrosion resistance and reduce transient resistance. At high capacities of the fuel cell requiring its cooling, additional channels for the coolant can be located inside the electrically conductive plates. Thus, the use of proton-conducting membranes having high ionic conductivity at low humidity makes it possible to create high-power fuel cell batteries up to hundreds of kilowatts.

Наиболее перспективно использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, в топливных элементах и батареях топливных элементов с подводом воздуха конвекционным способом или от воздушного вентилятора и питанием водородом от баллона высокого давления или металло-гидридной системы.The most promising is the use of proton-conducting membranes having high ionic conductivity at low humidity in fuel cells and fuel cell batteries with air inlet convection or from an air fan and powered by hydrogen from a high-pressure cylinder or metal hydride system.

Полезная модель проиллюстрирована Фиг. 1, на которой представлена принципиальная схема твердополимерного топливного элемента (средства для герметизации не показаны) и Фиг. 2, на которой представлена схема соединения двух топливных элементов в батарею, гдеThe utility model is illustrated in FIG. 1, which shows a schematic diagram of a solid polymer fuel cell (sealing means not shown) and FIG. 2, which shows a connection diagram of two fuel cells in a battery, where

1 - протонпроводящая мембрана;1 - proton-conducting membrane;

2 - анодный и катодный катализатор;2 - anode and cathode catalyst;

3 - анодный газодиффузионный слой;3 - anode gas diffusion layer;

4 - катодный газодиффузионный слой;4 - cathode gas diffusion layer;

5 - анод;5 - anode;

6 - катод;6 - cathode;

7 - мембранно-электродный блок, состоящий из 1, 2, 3 и 4;7 - membrane-electrode block, consisting of 1, 2, 3 and 4;

8 - окна для подвода и отвода газов;8 - windows for the supply and removal of gases;

9 - газораспределительные каналы анода и катода;9 - gas distribution channels of the anode and cathode;

10 - средство для герметизации;10 - means for sealing;

11 - периферийные отверстия для стяжки составных частей топливного элемента.11 - peripheral holes for screed components of the fuel cell.

Заявляемый в качестве полезной модели топливный элемент работает следующим образом: через штуцер упругой прокладки средства для герметизации 11 и окна для подвода газов 8 анода 5 топливного элемента через газораспределительные каналы 9 на анодный газодиффузионный слой 3 мембранно-электродного блока 7 подается газообразный водород из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона, на катализаторе 2 происходит реакция ионизации водорода, образовавшиеся при этом электроны переносятся через внешнюю электрическую цепь на катод 6 топливного элемента, а ионы водорода проходят через протонроводящую мембрану 1 в катодный газодиффузионный слой 4 мембранно-электродного блока 7, где на катализаторе 2 вступают в реакцию с кислородом, подающимся за счет управляемых вентиляторов, либо в конвекционном режиме на катодный газодиффузионный слой 4 аналогичным образом, т.е. через штуцер упругой прокладки средства для герметизации 10, окна для подвода газов 8 катода 6 и через соответствующие газораспределительные каналы 9. В результате реакции ионов водорода с кислородом в катодном газодиффузионном слое образуется вода, которая удаляется вместе с избытком воздуха через отводящие окна 8 катода 6. Вырабатываемая на топливном элементе разность потенциалов может быть использована для совершения полезной работы на устройстве, подсоединенном к внешней цепи.Declared as a utility model, the fuel element operates as follows: through the nozzle of the elastic gasket means for sealing 11 and the window for supplying gases 8 of the anode 5 of the fuel element through the gas distribution channels 9, hydrogen gas is supplied from the high pressure cylinder to the anode gas diffusion layer 3 of the membrane-electrode block 7 or from a metal hydride balloon, on the catalyst 2, a hydrogen ionization reaction takes place, the electrons formed in this case are transferred through an external electric circuit to 6 of the fuel cell, and hydrogen ions pass through the proton conducting membrane 1 into the cathode gas diffusion layer 4 of the membrane-electrode block 7, where they react on the catalyst 2 with oxygen supplied by controlled fans, or in the convection mode to the cathode gas diffusion layer 4 in a similar way , i.e. through the fitting of the elastic gasket of the sealing means 10, the gas supply port 8 of the cathode 6 and through the corresponding gas distribution channels 9. As a result of the reaction of hydrogen ions with oxygen in the cathode gas diffusion layer, water is formed, which is removed together with excess air through the exhaust windows 8 of the cathode 6. The potential difference generated by the fuel cell can be used to perform useful work on a device connected to an external circuit.

С внешних сторон анода и катода расположены средства для герметизации топливного элемента 10, которые представляют собой упругие прокладки и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам 8 электропроводящих пластин 5 и 6, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют периферийные отверстия 11 для их герметизации путем стяжки;On the outer sides of the anode and cathode there are means for sealing the fuel cell 10, which are elastic gaskets and are equipped with fittings for supplying gases to the windows 8 of the electrically conductive plates 5 and 6, while all the components of the fuel cell in their planes have peripheral holes 11 for them sealing by screed;

На основе предложенных топливных элементов возможно изготовление батарей топливных элементов и энергоустановок различного типа, использующих для своей работы водород и воздух без дополнительного относительно обычных топливных элементов увлажнения. Такие энергоустановки можно использовать в необслуживаемых и малообслуживаемых системах и транспортных средствах различного типа, требующих минимизации массы энергоустановки за счет исключения систем увлажнения.Based on the proposed fuel cells, it is possible to produce batteries of fuel cells and power plants of various types that use hydrogen and air for their work without additional humidification relative to conventional fuel cells. Such power plants can be used in maintenance-free and low-maintenance systems and vehicles of various types that require minimizing the mass of the power plant by eliminating humidification systems.

Таким образом, предлагаемое использование протонпроводящих мембран, имеющих высокую ионную проводимость при низкой влажности, дает возможность создания широкого спектра топливных элементов, батарей топливных элементов и энергоустановок на их основе, не требующих увлажнения рабочих газов, что существенно упрощает конструкцию систем, использующих такие топливные элементы, повышает их надежность, упрощает эксплуатацию и снижает эксплуатационные расходы.Thus, the proposed use of proton-conducting membranes having high ionic conductivity at low humidity makes it possible to create a wide range of fuel cells, fuel cell batteries and power plants based on them that do not require humidification of the working gases, which greatly simplifies the design of systems using such fuel cells, increases their reliability, simplifies operation and reduces operating costs.

Удовлетворение полезной модели критерию «промышленная применимость» подтверждается следующим примером.Satisfaction of the utility model with the criterion of "industrial applicability" is confirmed by the following example.

Пример.Example.

На анодный газодиффузионный слой топливного элемента через газораспределительные каналы электропроводящей пластины анода подавался газообразный водород влажностью 5% отн. из баллона высокого давления (150 атм), на катализаторе происходила реакция ионизации водорода, образовавшиеся при этом ионы водорода переносились через протонроводящую мембрану на катодный газодиффузионный слой, а электроны через внешнюю электрическую цепь собственно на катод топливного элемента. На катодный газодиффузионный слой топливного элемента через газораспределительные каналы электропроводящей пластины катода вентилятором подавался воздух влажностью 7% отн. На катализаторе со стороны катода ионы водорода соединялись с кислородом воздуха и электронами с образованием воды. Удельная мощность топливного элемента без дополнительного увлажнения питающих газов составила 127 мВт/см2. Энергия электронов, переносившихся через внешнюю цепь была использована для электропитания портативных устройств и зарядки аккумуляторов.Hydrogen gas with a moisture content of 5% rel. Was supplied to the anode gas diffusion layer of the fuel cell through the gas distribution channels of the conductive plate of the anode. from a high-pressure cylinder (150 atm), a hydrogen ionization reaction took place on the catalyst, the hydrogen ions formed in this case were transferred through a proton conducting membrane to the cathode gas diffusion layer, and the electrons through the external electric circuit to the cathode of the fuel cell itself. Air was supplied to the cathode gas diffusion layer of the fuel cell through the gas distribution channels of the cathode electrically conductive plate with a humidity of 7% rel. On the cathode side of the catalyst, hydrogen ions combined with atmospheric oxygen and electrons to form water. Power density of the fuel cell without any additional moistening feed gases was 127 mW / cm 2. The energy of electrons transferred through an external circuit was used to power portable devices and charge batteries.

Заявляемый в качестве полезной модели твердополимерный топливный элемент позволяет обеспечить удельную мощность топливного элемента не менее 100 мВт/см2 без дополнительного увлажнения газов.Declared as a utility model, a solid polymer fuel cell can provide a specific power of the fuel cell of at least 100 mW / cm 2 without additional humidification of the gases.

Claims (6)

1. Твердополимерный топливный элемент, состоящий из мембранно-электродного блока, анода, катода и средства для герметизации, в котором: мембранно-электродный блок содержит протонпроводящую мембрану с нанесенным на ее поверхность с двух сторон катализатором и расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем; анод и катод, расположенные с внешней стороны мембранно-электродного блока, выполнены в виде электропроводящих пластин с газораспределительными каналами, токовыми выводами и окнами для подвода и отвода водорода в качестве анодного газа и кислорода или воздуха в качестве катодного газа; средства для герметизации представляют собой упругие прокладки, расположенные с внешних сторон анода и катода, и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам электропроводящих пластин, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют периферийные отверстия для их герметизации путем стяжки; отличающийся тем, что в его составе использована протонпроводящая мембрана, полученная допированием сульфокатионитных перфторированных мембран неорганическими допантами и имеющая ионную проводимость не менее 10-3 См/см при влажности питающих газов от 5% отн. и выше.1. Solid polymer fuel cell, consisting of a membrane-electrode block, anode, cathode and sealing means, in which: the membrane-electrode block contains a proton-conducting membrane with a catalyst deposited on its surface on both sides and located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer ; the anode and cathode located on the outside of the membrane-electrode block are made in the form of electrically conductive plates with gas distribution channels, current leads and windows for supplying and discharging hydrogen as an anode gas and oxygen or air as a cathode gas; means for sealing are elastic gaskets located on the outer sides of the anode and cathode, and are equipped with fittings for supplying gases to the windows of the electrically conductive plates, while all the components of the fuel element in their planes have peripheral holes for sealing them by tightening; characterized in that its composition uses a proton-conducting membrane obtained by doping sulfocationic perfluorinated membranes with inorganic dopants and having an ionic conductivity of at least 10 -3 S / cm with a feed gas humidity of 5% r. and higher. 2. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что анодный и катодный газодиффузионные слои выполнены из пористой углеродной бумаги.2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode and cathode gas diffusion layers are made of porous carbon paper. 3. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящие пластины с газораспределительными каналами выполнены либо из металла, либо из композиционного графит-содержащего материала.3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrically conductive plates with gas distribution channels are made of either metal or a composite graphite-containing material. 4. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что подвод водорода в качестве анодного газа осуществляется из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона.4. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the supply of hydrogen as an anode gas is carried out from a high pressure cylinder or from a metal hydride cylinder. 5. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что подвод и отвод кислорода или воздуха в качестве катодного газа осуществляется за счет управляемых вентиляторов, либо производится в конвекционном режиме.5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the supply and removal of oxygen or air as cathode gas is carried out by controlled fans, or is made in convection mode. 6. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что для допирования сульфофторполимерной протонпроводящей мембраны использовали модифицированный оксид кремния и/или соли гетерополикислот, синтезированных непосредственно в матрице мембраны.
Figure 00000001
6. The fuel cell according to claim 1, characterized in that for the doping of the sulfofluoropolymer proton-conducting membrane, modified silicon oxide and / or salts of heteropoly acids synthesized directly in the membrane matrix were used.
Figure 00000001
RU2015142871/07U 2015-10-08 2015-10-08 SOLID POLYMER FUEL ELEMENT RU160133U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142871/07U RU160133U1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 SOLID POLYMER FUEL ELEMENT

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142871/07U RU160133U1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 SOLID POLYMER FUEL ELEMENT

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU160133U1 true RU160133U1 (en) 2016-03-10

Family

ID=55660562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015142871/07U RU160133U1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 SOLID POLYMER FUEL ELEMENT

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU160133U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2628760C1 (en) * 2016-10-20 2017-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Electrochemical solid state fuel cell
RU2678902C1 (en) * 2017-12-13 2019-02-04 Общество с ограниченной ответственностью"Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Fuel cell structure and operating principle studying device
CN111146472A (en) * 2020-01-09 2020-05-12 李肖宏 Hydrogen fuel cell and automobile, unmanned aerial vehicle and ship using same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2628760C1 (en) * 2016-10-20 2017-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Electrochemical solid state fuel cell
RU2678902C1 (en) * 2017-12-13 2019-02-04 Общество с ограниченной ответственностью"Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Fuel cell structure and operating principle studying device
CN111146472A (en) * 2020-01-09 2020-05-12 李肖宏 Hydrogen fuel cell and automobile, unmanned aerial vehicle and ship using same
CN111146472B (en) * 2020-01-09 2023-09-22 李肖宏 Hydrogen fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tan et al. Overview of porous media/metal foam application in fuel cells and solar power systems
Hwang et al. Parametric studies of a double-cell stack of PEMFC using Grafoil™ flow-field plates
US6638655B2 (en) Fuel cell system
CN101022171A (en) Ion exchange film fuel cell dipole plate and application thereof
JP2002289230A (en) Polymer electrolyte fuel cell
RU160133U1 (en) SOLID POLYMER FUEL ELEMENT
CN101540409B (en) Fuel battery unit with electric field-membrane electrode combined structure and a reversible regenerable oxyhydrogen electrolysis unit thereof
JP3358222B2 (en) Activation method of polymer electrolyte fuel cell
JP2022056862A (en) Fuel cell system
JPH11214022A (en) Fuel cell power generating device
KR101101497B1 (en) Producing method for electrodes of fuel cell with high temperature type and membrane electrode assembly produced thereby
CN115064730A (en) Humidifying method for full life cycle of fuel cell
Liu et al. Gold‐plated Ni mesh as the gas diffusion medium for air‐breathing direct methanol fuel cell
CN108390083B (en) Discharge working mode starting method of combined regenerative fuel cell system
CN209118591U (en) One proton exchanging film fuel battery experimental provision
CN110970641B (en) Method for improving discharge performance and operation life of phosphoric acid electrolyte high-temperature membrane fuel cell
JP2002231262A (en) High polymer electrolyte fuel cell
Su et al. Design, fabrication and preliminary study of a mini power source with a planar six‐cell PEM unitised regenerative fuel cell stack
CN107026275B (en) Component for improving battery operation stability
CN220233245U (en) Perfluorosulfonic acid proton exchange membrane for fuel cell
CN102420335B (en) Assembling method of self-breathing type direct alcohol fuel cell
CN102479956A (en) Method for improving chemical stability of proton exchange membrane
Umap et al. Performance of Catalyst Coated Membrane (CCM) at different operating conditions in Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell
CN201638894U (en) Fluorine-free proton exchange membrane fuel cell
CN104882619A (en) Field catalyzing controlled fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180206

Effective date: 20180206