RU2105395C1

RU2105395C1 - Fuel cell

Info

Publication number: RU2105395C1
Application number: RU95106035A
Authority: RU
Inventors: А.П. Павлов; В.Х. Станьков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Интергрин"
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1998-02-20
Also published as: WO1996034422A1; RU95106035A

Abstract

FIELD: chemical power supplies. SUBSTANCE: device has housing, electrodes of opposite polarity which are located in tank with liquid agents and are separated by water-absorbing porous metal foil which is made from nickel which thickness is in range of 20-200 mcm, porosity 20-60 % and pore size 1-20 mcm. EFFECT: increased service life and increased electric characteristics. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрохимических преобразователях, например редокс-элементы, топливные элементы (ТЭ) с жидкими реагентами, электролизеры и т.п. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electrochemical converters, for example, redox cells, fuel cells (TE) with liquid reagents, electrolyzers, etc.

Известен электрохимический преобразователь энергии, выполненный в виде ТЭ с жидкими реагентами. На аноде используется смесь метанола с электролитом, на катоде - смесь пероксида водорода с электролитом. Анодная и катодная полости ТЭ разделены ионообменной мембраной, предотвращающей смешение реагентов и саморазряд [1]. Known electrochemical energy converter, made in the form of fuel cells with liquid reagents. A mixture of methanol with an electrolyte is used at the anode; a mixture of hydrogen peroxide and an electrolyte is used at the cathode. The anode and cathode cavities of FCs are separated by an ion-exchange membrane, which prevents the mixing of reagents and self-discharge [1].

Недостаток указанного преобразователя связан с малой прочностью мембраны и низкой электропроводимостью, что снижает ресурс и его характеристики. The disadvantage of this Converter is associated with low membrane strength and low electrical conductivity, which reduces the resource and its characteristics.

Из известных электрохимических преобразователей наиболее близким по совокупности существенных признаков является редокс-элемент, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды с камерами жидких реагентов, разделенных друг от друга катионообменной мембраной [2]. Of the known electrochemical converters, the closest in combination of essential features is a redox element containing a housing, positive and negative electrodes with chambers of liquid reagents, separated from each other by a cation exchange membrane [2].

В качестве реагентов используются растворы электролита, содержащие ионы железа и хрома с изменяемой валентностью. Недостаток этого известного преобразователя связан с низкой электропроводимостью мембраны, что повышает внутреннее сопротивление и снижает электрические характеристики преобразователя. Кроме того, в процессе эксплуатации мембрана подвергается деструкции, которая приводит к ее разрушению, смешению реагентов и выходу преобразователя из строя. As reagents, electrolyte solutions containing iron and chromium ions with variable valency are used. The disadvantage of this known Converter is associated with low electrical conductivity of the membrane, which increases the internal resistance and reduces the electrical characteristics of the Converter. In addition, during operation, the membrane undergoes destruction, which leads to its destruction, mixing of the reagents and the failure of the transducer.

Задачей данного изобретения является создание электрохимического преобразователя, обладающего повышенным ресурсом и улучшенными электрическими характеристиками. The objective of the invention is to provide an electrochemical converter having an increased resource and improved electrical characteristics.

Указанный результат достигается тем, что в известном электрохимическом преобразователе в качестве разделительной мембраны использована гидрофильная пористая металлическая фольга, стойкая при рабочих условиях преобразователя. Указанная фольга, смоченная жидкостью, будет обеспечивать беспрепятственный перенос ионов, участвующих в электрохимической реакции, и надежное разделение реагентов, предотвращая их смешение. Механическая прочность фольги и стойкость при рабочих условиях повышает надежность функционирования преобразователя. Применение фольги в щелочных электролизерах, обычно использующих асбестовые или ионообменные мембраны, обеспечивает взрывобезопасность эксплуатации за счет надежного разделения продуктов разложения электролита - водорода и кислорода. This result is achieved by the fact that in the known electrochemical transducer a hydrophilic porous metal foil is used as a separation membrane, which is stable under the operating conditions of the transducer. The specified foil moistened with a liquid will provide unhindered transfer of ions involved in the electrochemical reaction and reliable separation of the reagents, preventing their mixing. The mechanical strength of the foil and the resistance under operating conditions increases the reliability of the converter. The use of foil in alkaline electrolyzers, usually using asbestos or ion-exchange membranes, ensures explosion-proof operation due to the reliable separation of the decomposition products of the electrolyte - hydrogen and oxygen.

Целесообразно мембрану выполнить из фольги толщиной 20-200 мкм, пористостью 20-60% и размером пор 1-20 мкм. It is advisable to make the membrane of the foil with a thickness of 20-200 microns, porosity of 20-60% and a pore size of 1-20 microns.

Пористую фольгу толщиной менее 20 мкм трудно изготовить технологически и она обладает недостаточной механической прочностью. Применение фольги толщиной более 200 мкм нецелесообразно, поскольку увеличение толщины не влияет на достижение технического результата, однако снижает удельные электрические характеристики за счет увеличения массы и габаритов преобразователя. Porous foil with a thickness of less than 20 microns is difficult to manufacture technologically and it has insufficient mechanical strength. The use of foil with a thickness of more than 200 μm is impractical, since an increase in thickness does not affect the achievement of a technical result, but it reduces the specific electrical characteristics due to an increase in the mass and dimensions of the converter.

Диапазоны пористости и размеров пор используемой металлической фольги диктуются внутренним электрическим сопротивлением и надежностью разделения реагентов друг от друга. The ranges of porosity and pore size of the used metal foil are dictated by the internal electrical resistance and the reliability of the separation of the reactants from each other.

Минимальные размеры пор и пористости определяются допустимой величиной внутреннего сопротивления преобразователя. При пористости менее 20% и размере пор менее 1 мкм мембрана будет обладать пониженной ионопроводимостью, что в свою очередь повышает внутреннее сопротивление и снижает удельные характеристики преобразователя. The minimum pore size and porosity are determined by the permissible value of the internal resistance of the Converter. With a porosity of less than 20% and a pore size of less than 1 μm, the membrane will have reduced ion conductivity, which in turn increases the internal resistance and reduces the specific characteristics of the transducer.

Мембрана пористостью более 60% обладает недостаточной механической прочностью, а мембрана с размером пор более 20 мкм не будет являться надежным барьером для смешения реагентов, что может привести к саморазряду, а в некоторых случаях, например для электролизера - к аварийной ситуации со взрывом. A membrane with a porosity of more than 60% has insufficient mechanical strength, and a membrane with a pore size of more than 20 μm will not be a reliable barrier to the mixing of reagents, which can lead to self-discharge, and in some cases, for example, to an electrolyzer, to an emergency with an explosion.

Целесообразно металлическую фольгу выполнить из никеля. Производство пористой никелевой фольги с требуемыми параметрами освоено в электрической промышленности и не требует дополнительных затрат и разработки технологического процесса и оборудования. Никель является стойким для условий работы электрохимических преобразователей. It is advisable to make a metal foil of nickel. The production of porous nickel foil with the required parameters has been mastered in the electrical industry and does not require additional costs and the development of the technological process and equipment. Nickel is resistant to the working conditions of electrochemical converters.

Приведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна". The above analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с признаками, совпадающими с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. To verify the conformity of the claimed invention to the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known solutions with features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototype.

Установлено, что заявленное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники для специалиста в данной области, т.е. оно соответствует критерию "изобретательский уровень". It was found that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a person skilled in the art, i.e. it meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена конструктивная схема заявляемого электрохимического преобразователя. The invention is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of the inventive electrochemical Converter.

Преобразователь содержит корпус 1, положительный 2 и отрицательный 3 электроды, камеру с положительным реагентом 4, камеру 5 с отрицательным реагентом, разделительную мембрану 6, внешнюю нагрузку 7. The converter contains a housing 1, positive 2 and negative 3 electrodes, a chamber with a positive reagent 4, a chamber 5 with a negative reagent, a separation membrane 6, an external load 7.

Работа преобразователя описана ниже на примере ТЭ с метанолом в качестве топлива и пероксидом водорода в качестве окислителя. Указанные реагенты растворены в щелочном электролите и находятся в соответствующих камерах. The operation of the converter is described below on the example of fuel cells with methanol as fuel and hydrogen peroxide as an oxidizing agent. These reagents are dissolved in an alkaline electrolyte and are located in the respective chambers.

Преобразователь работает следующим образом. При замыкании внешней нагрузки 7 в камере 5 происходит окисление метанола на поверхности электрода 3, сопровождаемое сорбцией водорода на поверхности анода и освобождением электрона во внешнюю цепь. На катоде 2 происходит восстановление кислорода, выделяющегося из пероксида с образованием гидроксильного иона и присоединением электрона из внешней цепи. Образующиеся гидроксильные ионы диффундируют через мембрану к аноду, где они объединяются с ионом водорода, образуя воду. Наличие мембраны препятствует диффузии реагентов к противоположным электродам, предотвращая саморазряд и снижение эффективности преобразователя, а также отравление электродов с падением характеристик. The converter operates as follows. When the external load 7 is closed in the chamber 5, methanol is oxidized on the surface of the electrode 3, accompanied by sorption of hydrogen on the surface of the anode and the release of the electron in the external circuit. At cathode 2, oxygen is released from the peroxide to form a hydroxyl ion and an electron is attached from the external circuit. The resulting hydroxyl ions diffuse through the membrane to the anode, where they combine with a hydrogen ion to form water. The presence of a membrane prevents the diffusion of reagents to opposite electrodes, preventing self-discharge and a decrease in the efficiency of the converter, as well as poisoning of the electrodes with a drop in performance.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость". Based on the foregoing, we can conclude that the claimed invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. An electrochemical energy converter comprising a housing, positive and negative electrodes with liquid reagent chambers, a membrane separating the reagents from each other, characterized in that a hydrophilic porous metal foil is used as a separation membrane.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the foil has a thickness of 20 to 200 μm, a porosity of 20 to 60% and a pore size of 1 to 20 μm.

3. The Converter according to claims 1 and 2, characterized in that the metal foil is made of nickel.