RU2303837C1 - Топливный элемент с градиентно-пористой структурой - Google Patents

Топливный элемент с градиентно-пористой структурой Download PDF

Info

Publication number
RU2303837C1
RU2303837C1 RU2006110617/09A RU2006110617A RU2303837C1 RU 2303837 C1 RU2303837 C1 RU 2303837C1 RU 2006110617/09 A RU2006110617/09 A RU 2006110617/09A RU 2006110617 A RU2006110617 A RU 2006110617A RU 2303837 C1 RU2303837 C1 RU 2303837C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mes
layers
electrolyte
mea
ion
Prior art date
Application number
RU2006110617/09A
Other languages
English (en)
Inventor
Лев Ильич Трусов (RU)
Лев Ильич Трусов
Вадим Леонидович Тарасов (RU)
Вадим Леонидович Тарасов
Игорь Борисович Барсуков (RU)
Игорь Борисович Барсуков
Андрей Любимович Любин (RU)
Андрей Любимович Любин
Людмила Борисовна Красько (RU)
Людмила Борисовна Красько
Original Assignee
Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ"
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 Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ" filed Critical Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ"
Priority to RU2006110617/09A priority Critical patent/RU2303837C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2303837C1 publication Critical patent/RU2303837C1/ru

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным элементам (ТЭ) с градиентно-пористой структурой в качестве мембранно-электродной сборки (МЭС). Согласно изобретению ТЭ с МЭС содержит корпус и размещенные в нем МЭС с ионопроводящим электролитом, каталитическими слоями, примыкающими к электролиту, и газодиффузионными электродными слоями, примыкающими к каталитическим слоям, токоотводы, примыкающие к газодиффузионным слоям, и газовые анодную и катодную камеры, 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 ТЭ 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 газодиффузионные слоев МЭС уменьшается в направлении к центральному слою. В качестве ионопроводящего электролита МЭС ТЭ может использоваться протонпроводящий или анионпроводящий электролит, выполненный из органического или неорганического материала. Центральный пористый слой МЭС ТЭ может быть выполнен из керамики и/или стекла, а наружные газодиффузионные слои МЭС могут быть выполнены из углеродного материала или металла. Техническим результатом изобретения является повышение выходных электрических характеристик. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к топливным элементам (ТЭ) с градиентно-пористой структурой в качестве мембранно-электродной сборки (МЭС).
Из известных ТЭ с МЭС наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ТЭ с МЭС, содержащий корпус и размещенные в нем МЭС с ионопроводящим электролитом, каталитическими слоями, примыкающими к электролиту, и газодиффузионными электродными слоями, примыкающими к каталитическим слоям, токоотводы, примыкающие к газодиффузионным слоям, и газовые анодную и катодную камеры (WO 2005/060031 А2, кл. Н01М 8/02, 2005)
Недостатком указанного известного ТЭ с МЭС является повышенное омическое сопротивление, связанное с наличием межграничных контактных омических сопротивлений между составляющими МЭС, что приводит к снижению выходных электрических характеристик ТЭ.
Задачей изобретения является создание ТЭ с МЭС, обладающего пониженным внутренним омическим сопротивлением и повышенными выходными электрическими характеристиками.
Указанный технический результат достигается тем, что ТЭ с МЭС содержит корпус и размещенные в нем МЭС с ионопроводящим электролитом, каталитическими слоями, примыкающими к электролиту, и газодиффузионными электродными слоями, примыкающими к каталитическим слоям, токоотводы, примыкающие к газодиффузионным слоям, и газовые анодную и катодную камеры, 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. Использование монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры позволяет уменьшить внутреннее омическое сопротивление ТЭ за счет исключения омических контактных сопротивлений на границах раздела составляющих МЭС, что позволяет существенно повысить выходные электрические характеристики ТЭ.
Целесообразно, чтобы центральный слой МЭС ТЭ имел толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные газодиффузионные слои имели толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных газодиффузионных слоев МЭС уменьшается в направлении к центральному слою. Указанные параметры составляющих МЭС ТЭ 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 в газовые камеры ТЭ, их смешения с возможностью возгорания. При толщине слоя более 150 мкм увеличивается внутреннее омическое сопротивление МЭС и ТЭ в целом, что отрицательно сказывается на его электрических характеристиках. При пористости центрального слоя МЭС менее 60% повышается внутреннее омическое сопротивление из-за уменьшения доли электролита в слое, при пористости более 90% механическая прочность МЭС становится недостаточной. При толщине наружных газодиффузионных слоев МЭС менее 150 мкм снижается механическая прочность МЭС, увеличение толщины наружных слоев МЭС более 300 мкм нецелесообразно, поскольку возрастает масса МЭС и ТЭ в целом, что приводит к снижению удельных электрических характеристик ТЭ. Пористость и размер пор наружных газодиффузионных слоев МЭС выбираются исходя из необходимости свободного доступа рабочих газов к каталитическим слоям электродов. Убывающий размер пор наружных газодиффузионных слоев в направлении центрального слоя выполнен с целью увеличения площади активной поверхности в зоне каталитических слоев МЭС ТЭ.
Целесообразно, чтобы в качестве ионопроводящего электролита в МЭС ТЭ использовался протонпроводящий или анионпроводящий электролиты. Использование того или иного электролита в ТЭ расширяет возможные области использования ТЭ, а также типы используемых в ТЭ топливных реагентов.
Целесообразно, чтобы центральный пористый слой МЭС ТЭ был выполнен из керамики и/или стекла. Указанные материалы являются непроводящими электрический ток, что исключает возможность короткого замыкания электродов, стойки при рабочих условиях ТЭ, являются широко доступными и имеют невысокую стоимость.
Целесообразно, чтобы наружные газодиффузионные слои в МЭС ТЭ были выполнены из углеродного материала или металла. Указанные материалы хорошо проводят электрический ток, что снижает внутреннее омическое сопротивление ТЭ, широко доступны и химически стойки при рабочих условиях ТЭ.
Целесообразно, чтобы ионопроводящий электролит в МЭС ТЭ был выполнен из органического или неорганического материала. Это позволяет существенно расширить круг возможных типов электролита, пригодных для использования в ТЭ, что упрощает выбор используемых в ТЭ конструкционных материалов.
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 примером практической реализации, на котором представлен продольный разрез ТЭ с МЭС. ТЭ включает корпус 1, положительный 2 и отрицательный 3 токовые коллекторы, газодиффузионные слои положительного 4 и отрицательного 5 электродов, каталитические слои положительного 6 и отрицательного 7 электродов, мембранный электролит 10, газовые камеры 8, 9. Газодиффузионные слои 4, 5, каталитические слои 6, 7 и мембранный электролит 10 функционально представляют собой МЭС, выполненную на основе монолитной градиентно-пористой структуры, которая вместе с токовыми коллекторами, примыкающими к противоположным сторонам МЭС, размещена в корпусе ТЭ.
Пример практической реализации
Изготовлен макетный образец водородно-воздушного ТЭ с платинированными углеродными электродами и МЭС на основе градиентно-пористой структуры. Градиентно-пористая структура толщиной 700 мкм изготавливалась методом пластичной нанокерамики. Центральный слой структуры толщиной 100 мкм, пористостью 70% и размером пор 5 мкм изготовлен из композиции стекловойлока и керамики из ZrO2, Al2O3, TiO2, наружные газодиффузионные слои толщиной 300 мкм, пористостью 50% и размером пор 20 мкм изготовлены из углеродных нанотрубок. 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. В качестве токоотводов использовалась никелевая сетка толщиной 200 мкм, которая механически прижималась к газодиффузионным слоям. Изготовленный образец ТЭ с площадью электродов 25 см2 при температуре 60°С обеспечивал ток нагрузки 3 А при напряжении 0,8 В, что соответствует удельной мощности 96 мВт/см2.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ТЭ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимость".

Claims (7)

1. Топливный элемент (ТЭ) с мембранно-электродной сборкой (МЭС), содержащий корпус и размещенные в нем МЭС с ионопроводящим электролитом, каталитическими слоями, примыкающими к электролиту, и газодиффузионными электродными слоями, примыкающими к каталитическим слоям, токоотводы, примыкающие к газодиффузионным слоям, и газовые анодную и катодную камеры, отличающийся 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. ТЭ по п.1, отличающаяся тем, что центральный слой МЭС 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 МЭС уменьшается в направлении к центральному слою.
3. ТЭ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионопроводящего электролита МЭС используется протонпроводящий электролит.
4. ТЭ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионопроводящего электролита ТЭ используется анионпроводящий электролит.
5. ТЭ по п.1, отличающийся тем, что центральный пористый слой МЭС выполнен из керамики и/или стекла.
6. ТЭ по п.1, отличающийся тем, что наружные слои МЭС выполнены из углеродного материала или металла.
7. ТЭ по п.1, отличающийся тем, что ионопроводящий электролит МЭС выполнен из органического или неорганического материала.
RU2006110617/09A 2006-04-04 2006-04-04 Топливный элемент с градиентно-пористой структурой RU2303837C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006110617/09A RU2303837C1 (ru) 2006-04-04 2006-04-04 Топливный элемент с градиентно-пористой структурой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006110617/09A RU2303837C1 (ru) 2006-04-04 2006-04-04 Топливный элемент с градиентно-пористой структурой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2303837C1 true RU2303837C1 (ru) 2007-07-27

Family

ID=38431790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006110617/09A RU2303837C1 (ru) 2006-04-04 2006-04-04 Топливный элемент с градиентно-пористой структурой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2303837C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2465692C1 (ru) * 2008-09-26 2012-10-27 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Газодиффузионный слой для топливного элемента
RU2539217C2 (ru) * 2011-08-01 2015-01-20 Ильшат Ахатович Гайсин Состав для стимулирования роста и развития сельскохозяйственных культур

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2465692C1 (ru) * 2008-09-26 2012-10-27 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Газодиффузионный слой для топливного элемента
RU2539217C2 (ru) * 2011-08-01 2015-01-20 Ильшат Ахатович Гайсин Состав для стимулирования роста и развития сельскохозяйственных культур

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
US6743541B2 (en) Monopolar cell pack of proton exchange membrane fuel cell and direct methanol fuel cell
KR101119396B1 (ko) 고체 산화물 연료전지 구조
EP1760811A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing fuel cell
KR20010092913A (ko) 강화제가 부가된 복합 이온 전도성 고분자막 및 이를채용하고 있는 연료전지
JP6324506B2 (ja) ガス拡散電極、電気化学装置、及び、燃料電池
JP5766401B2 (ja) 燃料電池アセンブリー
CN1947294A (zh) 燃料电池用电解质层、燃料电池和燃料电池用电解质层的制造方法
JP2002513993A (ja) 流体透過性細孔を有する電極及び燃料電池
US6946214B2 (en) Manufacturing method of fuel cell electrode and fuel cell using thereof
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
RU2303836C1 (ru) Мембранно-электродная сборка для топливного элемента
US3300343A (en) Fuel cell including electrodes having two dissimilar surfaces
RU2303837C1 (ru) Топливный элемент с градиентно-пористой структурой
US8632927B2 (en) Membraneless fuel cell and method of operating same
JPH03184266A (ja) 固体電解質型燃料電池
US20090142648A1 (en) Thin film glass composite catalyst electrode
US20090274945A1 (en) Fuel Cell and Manufacturing Method of the Same
KR100719095B1 (ko) 연료 확산속도 제어물질층을 포함하여 메탄올 크로스오버현상을 억제시킨 직접 메탄올 연료전지
JP2005353495A (ja) セルモジュール及び燃料電池
RU2304327C1 (ru) Источник питания на основе топливных элементов
JP5132997B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
KR100355392B1 (ko) 다층 구조의 이온 전도성 고분자막을 채용한 연료전지
KR20030014895A (ko) 휴대용 연료전지 시스템
EP3796442A1 (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110405