RU2303836C1 - Мембранно-электродная сборка для топливного элемента - Google Patents
Мембранно-электродная сборка для топливного элемента Download PDFInfo
- Publication number
- RU2303836C1 RU2303836C1 RU2006110615/09A RU2006110615A RU2303836C1 RU 2303836 C1 RU2303836 C1 RU 2303836C1 RU 2006110615/09 A RU2006110615/09 A RU 2006110615/09A RU 2006110615 A RU2006110615 A RU 2006110615A RU 2303836 C1 RU2303836 C1 RU 2303836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mes
- mea
- central layer
- conducting electrolyte
- layers
- Prior art date
Links
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
Изобретение относится к области электротехники, в частности к мембранно-электродным (МЭС) сборкам для топливных элементов (ТЭ). Согласно изобретению МЭС для ТЭ содержит ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям, при этом МЭС выполнена на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор. Центральный слой МЭС может иметь толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные газодиффузионные слои могут иметь толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных слоев уменьшается по направлению к центральному слою. В качестве ионопроводящего электролита можно использовать протонпроводящий или анионпроводящий электролит. Центральный пористый слой МЭС может быть выполнен из керамики и/или стекла. Наружные слои МЭС могут быть выполнены из углеродного материала или металла. Техническим результатом изобретения является снижение омического сопротивления. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности к мембранно-электродным (МЭС) сборкам для топливных элементов (ТЭ), и может быть использовано при производстве ТЭ с МЭС.
Из известных МЭС наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является МЭС, содержащая ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям (Заявка Японии № 2004139783, кл. Н01М 8/02, 2004).
Недостатком указанной известной МЭС является повышенное омическое сопротивление, связанное с наличием межграничных контактных омических сопротивлений между составляющими МЭС.
Задачей изобретения является создание МЭС, обладающей пониженным омическим сопротивлением.
Указанный технический результат достигается за счет использования монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор. Использование указанной структуры исключает омические контактные сопротивления на границах раздела составляющих МЭС, что существенно снижает ее омическое сопротивление.
Целесообразно, чтобы центральный слой МЭС имел толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные слои имели толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных слоев уменьшается по направлению к центральному слою.
Указанные параметры составляющих МЭС являются оптимальными. При толщине центрального слоя меньше 50 мкм снижается механическая прочность МЭС и повышается вероятность короткого замыкания электродов и проникновения рабочих газов через электролит и их смешения с возможностью возгорания. При толщине более 150 мкм увеличивается омическое сопротивление МЭС. При пористости центрального слоя МЭС менее 60% повышается омическое сопротивление из-за уменьшения доли электролита. При пористости более 90% механическая прочность становится недостаточной. При толщине наружных слоев МЭС менее 150 мкм снижается механическая прочность МЭС, увеличение толщины наружных слоев МЭС более 300 мкм нецелесообразно, поскольку при этом возрастает масса МЭС и, следовательно, снижаются удельные электрические характеристики. Пористость и размер пор газодиффузионных слоев МЭС выбираются исходя из необходимости свободного доступа рабочих газов к каталитическим слоям. Убывающий размер пор наружных слоев в направлении центрального слоя выполнен с целью увеличения площади активной поверхности в зоне каталитических слоев МЭС.
Целесообразно, чтобы в качестве ионопроводящего электролита использовался протонпроводящий или анионпроводящий электролит. Использование того или иного электролита расширяет возможности использования МЭС в различных типах электрохимических устройств и топливных элементов (ТЭ).
Целесообразно, чтобы центральный пористый слой МЭС был выполнен из керамики и/или стекла. Указанные материалы являются непроводящими электрический ток, что исключает возможность короткого замыкания электродов, стойки при рабочих условиях использования МЭС, являются широко доступными и имеют невысокую стоимость.
Целесообразно, чтобы наружные газодиффузионные слои МЭС были выполнены из углеродного материала или металла. Указанные материалы хорошо проводят электрический ток, что снижает омическое сопротивление МЭС, широко доступны и химически стойки при рабочих условиях использования МЭС.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежом и примером практической реализации.
На чертеже показан разрез мембранно-электродной сборки.
МЭС включает центральный слой 3, наружные газодиффузионные слои 1, 5 и каталитические слои 2, 4, расположенные на границе раздела между центральным и наружными слоями.
Пример практической реализации
Методом пластичной нанокерамики изготовлена трехслойная градиентно-пористая структура толщиной 700 мкм. Центральный слой структуры толщиной 100 мкм, пористостью 70% и размером пор 5 мкм изготовлен из композиции стекловойлока и керамики из ZrO2, Al2О3, TiO2, наружные газодиффузионные слои толщиной 300 мкм, пористостью 50% и размером пор 20 мкм изготовлены из никеля. Средний размер пор наружных газодиффузионных слоев убывает по направлению к центральному слою от 20 до 5 мкм. Поры центрального слоя методом пропитки заполнены протонпроводящим электролитом на основе полимера Нафион, в наружные слои методом седиментации смеси катализатора и фторопластовой эмульсии введены соответственно анодный и катодный катализаторы на основе платины на углеродном носителе в количестве 0,5 мг/см2. Полученная на основе градиентно-пористой структуры МЭС обладает достаточными гибкостью при радиусе изгиба 5÷10 мм и механической прочностью и высокой проводимостью 20÷200 мСм/см в зависимости от состава и влажности МЭС. МЭС технологична в производстве и не требует особых условий при ее хранении и использовании при сборке ТЭ.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная МЭС может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию "промышленная применимость".
Claims (6)
1. Мембранно-электродная сборка (МЭС) для топливного элемента, содержащая ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям, отличающаяся тем, что МЭС выполнена на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор.
2. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что центральный слой имеет толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные газодиффузионные слои имеют толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных газодиффузионных слоев уменьшается по направлению к центральному слою.
3. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ионопроводящего электролита используется протонпроводящий электролит.
4. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ионопроводящего электролита используется анионпроводящий электролит.
5. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что центральный пористый слой выполнен из керамики и/или стекла.
6. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что наружные слои выполнены из углеродного материала или металла.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006110615/09A RU2303836C1 (ru) | 2006-04-04 | 2006-04-04 | Мембранно-электродная сборка для топливного элемента |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006110615/09A RU2303836C1 (ru) | 2006-04-04 | 2006-04-04 | Мембранно-электродная сборка для топливного элемента |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2303836C1 true RU2303836C1 (ru) | 2007-07-27 |
Family
ID=38431789
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006110615/09A RU2303836C1 (ru) | 2006-04-04 | 2006-04-04 | Мембранно-электродная сборка для топливного элемента |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2303836C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9642253B2 (en) | 2011-04-04 | 2017-05-02 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Nanotube dispersants and dispersant free nanotube films therefrom |
US9742018B2 (en) | 2010-12-17 | 2017-08-22 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Hydrogen oxidation and generation over carbon films |
US10115972B2 (en) | 2009-04-30 | 2018-10-30 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Single wall carbon nanotube based air cathodes |
US10815576B2 (en) | 2013-11-20 | 2020-10-27 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Carbon dioxide reduction over carbon-containing materials |
-
2006
- 2006-04-04 RU RU2006110615/09A patent/RU2303836C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10115972B2 (en) | 2009-04-30 | 2018-10-30 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Single wall carbon nanotube based air cathodes |
US9742018B2 (en) | 2010-12-17 | 2017-08-22 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Hydrogen oxidation and generation over carbon films |
US9768460B2 (en) | 2010-12-17 | 2017-09-19 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Hydrogen oxidation and generation over carbon films |
US10181614B2 (en) | 2010-12-17 | 2019-01-15 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Hydrogen oxidation and generation over carbon films |
US9642253B2 (en) | 2011-04-04 | 2017-05-02 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Nanotube dispersants and dispersant free nanotube films therefrom |
US9642252B2 (en) | 2011-04-04 | 2017-05-02 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Nanotube dispersants and dispersant free nanotube films therefrom |
US9775241B2 (en) | 2011-04-04 | 2017-09-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Nanotube dispersants and dispersant free nanotube films therefrom |
US10815576B2 (en) | 2013-11-20 | 2020-10-27 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Carbon dioxide reduction over carbon-containing materials |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5150895B2 (ja) | 膜電極接合体及び膜電極接合体の製造方法並びに固体高分子形燃料電池 | |
US8129065B2 (en) | Electrochemical cell assemblies including a region of discontinuity | |
US20160064755A1 (en) | Self-wetting membrane electrode unit and fuel cell having such a unit | |
US20130108947A1 (en) | Porous current collector, method of producing the same and fuel cell including porous current collector | |
KR20050083660A (ko) | 연료 전지 전극 | |
EP1760811A1 (en) | Fuel cell and method for manufacturing fuel cell | |
JPH05144444A (ja) | 燃料電池およびそれに用いる電極の製造方法 | |
KR20010092913A (ko) | 강화제가 부가된 복합 이온 전도성 고분자막 및 이를채용하고 있는 연료전지 | |
WO2015198520A1 (ja) | ガス拡散電極、電気化学装置、及び、燃料電池 | |
RU2303836C1 (ru) | Мембранно-электродная сборка для топливного элемента | |
JP3113499B2 (ja) | イオン導電性付与電極並びにそのような電極を用いた電極・電解質接合体及びセル | |
JP5151217B2 (ja) | 燃料電池 | |
US20020197524A1 (en) | Manufacturing method of fuel cell electrode and fuel cell using thereof | |
JP2006228501A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
Waldrop et al. | Electrospun nanofiber electrodes for high and low humidity PEMFC operation | |
JPH10223233A (ja) | 燃料電池用電極および電極電解質膜接合体 | |
US20070111085A1 (en) | Electrocatalyst for fuel cell-electrode, membrane-electrode assembly using the same and fuel cell | |
KR20110038174A (ko) | 붕소 카바이드 코팅된 금속 산화물/포스페이트를 갖는 연료 전지 촉매 지지부와 그 제작 방법 | |
US20090142648A1 (en) | Thin film glass composite catalyst electrode | |
US8632927B2 (en) | Membraneless fuel cell and method of operating same | |
RU2303837C1 (ru) | Топливный элемент с градиентно-пористой структурой | |
KR100719095B1 (ko) | 연료 확산속도 제어물질층을 포함하여 메탄올 크로스오버현상을 억제시킨 직접 메탄올 연료전지 | |
JPH06295728A (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 | |
JP5989344B2 (ja) | 燃料電池 | |
KR100355392B1 (ko) | 다층 구조의 이온 전도성 고분자막을 채용한 연료전지 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110405 |