RU2304327C1

RU2304327C1 - Power source based on fuel cells

Info

Publication number: RU2304327C1
Application number: RU2006110616/09A
Authority: RU
Inventors: 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: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-08-10

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, power sources based on fuel cells with a diaphragm-electrode assembly.

SUBSTANCE: according to the invention, the power source has fuel cells, DC/DC voltage converter and a storage cell, a fuel cell with a diaphragm-electric assembly is used as a fuel cell, it is based on a monolithic three-layer gradient-porous structure, whose central layer is made of porous non-conducting material, whose pores are filled with an ion-conducting electrolyte, and the outer gaseous diffusions layers of the diaphragm-electrode assembly are made of porous current-conducting material whose pores contain a catalyst in the area of contact with the central layer. The central layer of the diaphragm-electrode assembly has a thickness within 50 ÷ 150 μm, porosity within 60 ÷ 90 per cent and the mean dimension of pores within 1 ÷ 10 μm, the outer gaseous diffusion layers have a thickness within 150 ÷ 300 μm, porosity within 50 ÷ 60 per cent and the mean dimension of pores within 10 ÷ 50 μm, in the outer gaseous diffusion layers the dimension of pores decreases in the direction to the central layer of the diaphragm electrode assembly. Proton=conducting or anion-conducting electrolyte may be used as the ion-conducting electrolyte of the diaphragm-electrode assembly the central porous layer of the diaphragm-electrode assembly may be made of ceramics and/or glass. The outer gaseous diffusion layers of the diaphragm-electrode assembly may be made of a carbon material or metal. A lithium-ion or lithium-polymer cell may be used as a storage cell.

EFFECT: enhanced electric characteristics.

7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к источникам питания (ИП) на основе топливных элементов (ТЭ) с мембранно-электродной сборкой (МЭС).The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to power sources (IP) based on fuel cells (TE) with a membrane-electrode assembly (MES).

Из известных ИП наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ИП, содержащий ТЭ с МЭС, DC/DC преобразователь напряжения и аккумулятор (патент США 2005/0008903 А1, кл. Н01М 16/00, 2005).Of the known IPs, the closest in the set of essential features and the achieved technical result is the IP containing TE with MES, DC / DC voltage converter and battery (US patent 2005/0008903 A1, class H01M 16/00, 2005).

Недостатком указанного известного ИП на основе ТЭ с МЭС являются невысокие электрические характеристики из-за повышенного внутреннего омического сопротивления ТЭ, которое связано с наличием межграничных контактных омических сопротивлений между составляющими МЭС и ТЭ.The disadvantage of this known FE based on TE with MES is the low electrical characteristics due to the increased internal ohmic resistance of the TE, which is associated with the presence of cross-border contact ohmic resistances between the components of the MES and the TE.

Задачей изобретения является создание ИП на основе ТЭ с МЭС, обладающего повышенными электрическими характеристиками.The objective of the invention is the creation of IP based on TE with MES, with improved electrical characteristics.

Указанный технический результат достигается тем, что в ИП на основе ТЭ с МЭС используется ТЭ с МЭС, выполненной на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, при этом центральный слой структуры выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои структуры выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор. Использование ТЭ с градиентно-пористой структурой в качестве МЭС позволяет существенно повысить электрические характеристики ИП за счет снижения внутреннего сопротивления ТЭ.The specified technical result is achieved by the fact that in the FE based on TE with MES, TE with MES is used, made on the basis of a monolithic three-layer gradient-porous structure, while the central layer of the structure is made of a porous non-conductive material, the pores of which are filled with an ion-conducting electrolyte, and the outer gas diffusion layers the structures are made of porous electrically conductive material, the pores of which in the zone of contact with the central layer contain a catalyst. The use of FCs with a gradient-porous structure as an MES makes it possible to significantly increase the electrical characteristics of IPs by reducing the internal resistance of FCs.

Целесообразно, чтобы центральный слой МЭС ТЭ имел толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, наружные газодиффузионные слои имели толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор в наружных газодиффузионных слоях уменьшается в направлении к центральному слою МЭС ТЭ.It is advisable that the central layer of MES TE has a thickness of 50 ÷ 150 μm, porosity of 60 ÷ 90% and an average pore size of 1 ÷ 10 μm, the outer gas diffusion layers have a thickness of 150 ÷ 300 μm, porosity of 50 ÷ 60% and an average pore size of 10 ÷ 50 μm, while the pore size in the outer gas diffusion layers decreases towards the central layer of the MES FC.

Указанные параметры составляющих МЭС ТЭ являются оптимальными. При толщине центрального слоя менее 50 мкм снижается механическая прочность МЭС, повышается вероятность короткого замыкания электродов, проникновения рабочих газов через электролит в газовые камеры ТЭ и их смешения с возможность возгорания. При толщине слоя более 150 мкм увеличивается внутреннее омическое сопротивление МЭС и ТЭ в целом, что отрицательно сказывается на его электрических характеристиках ИП. 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 и снижаются удельные электрические характеристики ИП. Пористость и размер пор наружных газодиффузионных слоев МЭС выбирают 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.The indicated parameters of the components of the MES TE are optimal. When the thickness of the central layer is less than 50 μm, the mechanical strength of the MES decreases, the likelihood of a short circuit of the electrodes, the penetration of working gases through the electrolyte into the gas chambers of the fuel cell and their mixing with the possibility of fire increases. With a layer thickness of more than 150 μm, the internal ohmic resistance of the MES and the fuel cell as a whole increases, which negatively affects its electrical characteristics. When the porosity of the central layer of the MES is less than 60%, the internal ohmic resistance increases due to a decrease in the fraction of electrolyte in the layer, while the porosity of more than 90%, the mechanical strength of the MES becomes insufficient. When the thickness of the outer gas diffusion layers of the MES is less than 150 μm, the mechanical strength of the MES decreases, the increase in the thickness of the outer layers of the MES of more than 300 μm is impractical, since the mass of the MES and the fuel cell as a whole increases and the specific electrical characteristics of the PI decrease. The porosity and pore size of the outer gas diffusion layers of the MES is selected based on the need for free access of the working gases to the catalytic layers of the electrodes. The decreasing pore size of the outer gas diffusion layers in the direction of the central layer is designed to increase the active surface area in the area of the catalytic layers of the MES TE.

Целесообразно, чтобы в качестве ионопроводящего электролита в МЭС ТЭ использовался протонпроводящий или анионпроводящий электролит. Использование того или иного электролита в ТЭ расширяет возможные области использования ТЭ, а также типы используемых в ТЭ топливных реагентов.It is advisable that a proton-conducting or anion-conducting electrolyte be used as an ion-conducting electrolyte in a MES TE. The use of a particular electrolyte in a fuel cell expands the possible areas of use for a fuel cell, as well as the types of fuel reagents used in a fuel cell.

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, широко доступны и имеют невысокую стоимость.It is advisable that the central porous layer of the MES TE is made of ceramic and / or glass. These materials are non-conductive electric current, which eliminates the possibility of short circuiting of the electrodes, racks under the operating conditions of the fuel cell, are widely available and have a low cost.

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.It is advisable that the outer gas diffusion layers in the MES fuel cell are made of carbon material or metal. These materials conduct electric current well, which reduces the internal ohmic resistance of the fuel cell, and are chemically resistant under the operating conditions of the fuel cell.

Целесообразно, чтобы ионопроводящий электролит в МЭС ТЭ был выполнен из органического или неорганического материала. Это позволяет существенно расширить круг электролитов, пригодных для использования в ТЭ, что упрощает выбор используемых в ТЭ конструкционных материалов.It is advisable that the ion-conducting electrolyte in the MES TE was made of organic or inorganic material. This allows you to significantly expand the range of electrolytes suitable for use in fuel cells, which simplifies the choice of structural materials used in fuel cells.

Целесообразно, чтобы в качестве аккумулятора ИП использовался литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор. Указанные аккумуляторы обладают самыми высокими удельными электрическими характеристиками по сравнению с другими типами аккумуляторов. Это позволяет повысить электрические характеристики ИП.It is advisable that a lithium-ion or lithium-polymer battery is used as an IP battery. These batteries have the highest specific electrical characteristics compared to other types of batteries. This allows you to increase the electrical characteristics of the IP.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».The 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 it meets the criterion of "novelty."

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 примером практической реализации.To verify the conformity of the claimed invention with the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step". The invention is illustrated by an example of practical implementation.

На чертеже представлена функциональная схема ИП.The drawing shows a functional diagram of IP.

ИП включает ТЭ с МЭС 1, DC/DC преобразователь напряжения 2, вход которого подключен к выходу ТЭ, аккумулятор 3, подключенный к выходу DC/DC преобразователя напряжения и потребитель энергии 4, подключенный к аккумулятору 3. ИП работает следующим образом. В ТЭ 1 химическая энергия водорода и кислорода преобразуется в электрическую энергию, которая подается на вход DC/DC преобразователя напряжения 2. DC/DC преобразователь 2 преобразует выходное напряжение ТЭ 1 в напряжение заданной величины и обеспечивает подзаряд аккумулятора 3, который подключен к потребителю энергии 4. Аккумулятор 3 обеспечивает питание потребителя 4 и накопление энергии в период малой нагрузки и питание потребителя 4 в период пиковой нагрузки.The IP includes a FC with MES 1, a DC / DC voltage converter 2, the input of which is connected to the output of the TE, a battery 3 connected to the DC / DC output of the voltage converter and an energy consumer 4 connected to the battery 3. The IP works as follows. In TE 1, the chemical energy of hydrogen and oxygen is converted into electrical energy, which is fed to the input of the DC / DC voltage converter 2. DC / DC converter 2 converts the output voltage of TE 1 into a voltage of a given value and provides recharge of the battery 3, which is connected to the energy consumer 4 The battery 3 provides power to the consumer 4 and the accumulation of energy during the low load and power to the consumer 4 during the peak load.

На основании приведенных функциональной схемы и описания работы ИП можно сделать вывод, что заявленный ИП может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию промышленная применимость.Based on the above functional diagram and description of the operation of the IP, we can conclude that the claimed IP can be implemented in practice with the achievement of the claimed technical result, i.e. It meets the criterion of industrial applicability.

Claims

1. A power source (IP) containing a fuel cell (TE), a DC / DC voltage converter and a battery, characterized in that the TE is used TE with a membrane-electrode assembly (MES), which is based on a monolithic three-layer gradient-porous structure, the central layer of which is made of a porous non-conductive material, the pores of which are filled with an ion-conducting electrolyte, and the outer gas diffusion layers of the MES are made of porous electrically conductive material, the pores of which are in the zone of contact with the central layer m contain catalyst.

2. IP according to claim 1, characterized in that the central layer of the MES has a thickness of 50 ÷ 150 μm, porosity of 60 ÷ 90% and an average pore size of 1 ÷ 10 μm, the outer gas diffusion layers have a thickness of 150 ÷ 300 μm, porosity of 50 ÷ 60 % and the average pore size of 10 ÷ 50 μm, while in the outer gas diffusion layers, the pore size decreases in the direction to the Central layer of the MES.

3. IP according to claim 1, characterized in that a proton-conducting electrolyte is used as an ion-conducting electrolyte in an MES.

4. IP according to claim 1, characterized in that anion-conducting electrolyte is used as an ion-conducting electrolyte in an MES.

5. IP according to claim 1, characterized in that the central porous layer of the MES is made of ceramic and / or glass.

6. IP according to claim 1, characterized in that the outer gas diffusion layers of the MES are made of carbon material or metal.

7. IP according to claim 1, characterized in that a lithium-ion or lithium-polymer battery is used as a battery.