RU2691127C1 - Прямой метанольный топливный элемент - Google Patents

Прямой метанольный топливный элемент Download PDF

Info

Publication number
RU2691127C1
RU2691127C1 RU2016126961A RU2016126961A RU2691127C1 RU 2691127 C1 RU2691127 C1 RU 2691127C1 RU 2016126961 A RU2016126961 A RU 2016126961A RU 2016126961 A RU2016126961 A RU 2016126961A RU 2691127 C1 RU2691127 C1 RU 2691127C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
methanol fuel
fuel cell
direct methanol
interdigital transducer
gas
Prior art date
Application number
RU2016126961A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Федорович Вяткин
Дмитрий Валентинович Рощупкин
Вадим Владимирович Сироткин
Евгений Валерьевич Емелин
Дмитрий Вадимович Иржак
Артемий Вадимович Иржак
Original Assignee
Фано России Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Проблем Технологии Микроэлектроники И Особочистых Материалов Российской Академии Наук (Иптм 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 Фано России Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Проблем Технологии Микроэлектроники И Особочистых Материалов Российской Академии Наук (Иптм Ран) filed Critical Фано России Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Проблем Технологии Микроэлектроники И Особочистых Материалов Российской Академии Наук (Иптм Ран)
Priority to RU2016126961A priority Critical patent/RU2691127C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2691127C1 publication Critical patent/RU2691127C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к прямому метанольному топливному элементу, который может использоваться в качестве источника питания, например, для сотовых телефонов. Предложенный топливный элемент в катодной части содержит расположенную между газодиффузионным слоем и электротеплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему со встроенным микронасосом для принудительного удаления воды из системы, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем. На поверхности пьезоэлектрической подложки, покрытой пленкой наноструктурированного углерода, при помощи встречно-штыревого преобразователя, соединенного с высокочастотным генератором, возбуждается поверхностная акустическая волна. Газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя. Акустическая волна взаимодействует с микрообъемами воды, располагающимися в газораспределительных каналах, что способствует принудительному удалению воды. Повышение удельной электрической мощности метанольного топливного элемента является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

Description

Изобретение относится к областям энергетики, связи, телекоммуникации и может быть использовано, в частности, в качестве источников питания для сотовых телефонов 4-го поколения.
В последние годы резко увеличилась производительность и мультифункциональность мобильных электронных устройств (особенно таких, как мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и ноутбуки) и проблема недостаточной емкости батарей, как источников питания этих устройств, вышла на передний план. В этих условиях резко интенсифицируются разработки источников энергии, в частности, прямых метанольных топливных элементов, способных заменить литиево-ионные батареи, которые подошли к пределу усовершенствований по увеличению плотности электрической мощности.
Достижению высокой плотности электрической мощности у прямых метанольных топливных элементов препятствует нерешенность проблемы заводнения их катодной части (газодиффузионных слоев и газоподводящих микроканалов). Одним из путей преодоления указанной проблемы является разработка топливных элементов, конструкции которых содержат микронасосы для принудительного удаления воды.
Известен прямой метанольный топливный элемент (пат. US 7799453, МПК F04B 17/00; опубл. 2006-02-09), содержащий микронасос для принудительного удаления воды из его катодной части. Микронасос основан на явлении электроосмоса и располагается между газодиффузионным слоем и системой газоподводящих микроканалов.
Существенным недостатком описываемой конструкции является необходимость применения газо- и водопроницаемых электродов, имеющих большую площадь и выполненных из платиновой проволоки, что значительно повышает стоимость изготовления подобного топливного элемента.
Известен, принятый за прототип, прямой метанольный топливный элемент, (пат. US 7179557 (В2), МПК Н01М 8/04, Н01М 8/24, опубл. 2005-06-30), содержащий в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, выполненную из водопроницаемого пористого материала. При этом для организации оттока воды через поры в стенках микроканалов применяется внешний насос.
К недостаткам конструкции данного топливного элемента можно отнести как сложность и дороговизну изготовления пористого материала для газоподводящей системы, так и необходимость применения дополнительного внешнего насоса, что понижает общую энергоэффективность топливного элемента и приводит к увеличению его размеров.
Предлагаемое изобретение решает простым и технологичным способом задачу создания высокоэффективных прямых метанольных топливных элементов, превосходящих существующие в настоящем аналоги по удельной электрической мощности порядка 20%.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией прямого метанольного топливного элемента, содержащего в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, новизна которого заключается в том что в газоподводящую систему встроен микронасос для принудительного удаления воды, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, а газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя.
Оптимальным вариантом материала пьезоэлектрической подложки может быть ниобат лития, однако он не ограничивает предлагаемое изобретение.
Пленка наноструктурированного углерода может быть выполнена из графена или из графена и прикрепленных к нему углеродных нанотрубок.
Предлагаемый прямой метанольный топливный элемент отвечает требованиям компактности, технологичности и надежности, поскольку содержит непосредственно встраиваемый в его катодную часть микронасос, который прост в изготовлении, потребляет мало энергии и не содержит движущихся частей.
Технический эффект предлагаемого прямого метанольного топливного элемента заключается в создании компактного, технологичного и надежного устройства с повышенной приблизительно на 20% удельной мощностью.
Микронасосы, использующие энергию поверхностных акустических волн для транспортировки жидкостей, широко применяются в микрофлюидике, в том числе, для создания лабораторий-на-чипе (lab-on-a-chip). Примеры подобных структур приведены в следующих патентах: WO 2009013705 (A1) - Device for controlling fluid motion into micro/nanochannels by means of surface acoustic waves; WO 0194017 (A1) - Process for manipulation of small quantities of matter. Описанные в указанных патентах микронасосы содержат пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем, выполненным с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, и каналы для перемещения жидкостей под действием поверхностной акустической волны. Встраивание таких микронасосов в катодную часть прямых метанольных топливных элементов невозможно, так как в ней при протекании электрохимических реакций образуются побочные продукты (перекись водорода и различные кислородные радикалы), обладающие высокой химической активностью.
Применение пленок графена, нанесенных на пьезоэлектрическую подложку, описано в патенте WO 2012120457 (A1) - An apparatus for transducing a surface acoustic wave. В патенте предлагается устройство, которое состоит из пьезоэлектрической подложки и расположенных на ее поверхности одного или нескольких электродов, выполненных из графена. Устройство предназначено для преобразования энергии поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке, в электрический сигнал, который снимается с графеновых электродов.
Таким образом, в существующем уровне техники не обнаружено описание конструкции прямого метанольного топливного элемента, использующего для принудительного удаления воды из газоподводящей системы своей катодной части микронасос работающий на поверхностно-акустических волнах.
Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанном прямом метанольном топливном элементе, сообщает ему соответствие критерию «новизна».
Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект - повышение удельной мощности 20%, и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».
Изготовление новой конструкции прямого метанольного топливного элемента с использованием известного оборудования сообщает ему соответствие критерию «промышленная применимость».
На Фиг. 1 представлена схема катодной части предлагаемого прямого метанольного топливного элемента.
а) - вид сверху;
б) - разрез по сечению А-А.
Прямой метанольный топливный элемент содержит в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем (на рисунке не показан) и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной 1 газоподводящую систему, отличающуюся тем, что в нее встроен микронасос для принудительного удаления воды. При этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку 2 с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем 3 и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода 4, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения при помощи контактов 5 с высокочастотным генератором (на рисунке не показан) и с возможностью формирования поверхностной акустической волны. А газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода 4 и выполнена в виде перегородок 6, которые образуют входной 7, выходной 8 и линейные газораспределительные каналы 9. При этом продольные оси линейных газораспределительных каналов 9 перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя 3.
Прямой метанольный топливный элемент работает следующим образом. Его работа основана на протекании двух электрохимических реакций. В анодной части прямого метанольного топливного элемента проходит реакция каталитического окисления смеси метанола и воды с образованием диоксида углерода, протонов и электронов. Протоны проникают через протонообменную мембрану в катодную часть прямого метанольного топливного элемента, где они на катализаторе реагируют с кислородом и электронами, образуя воду. При этом электроны, проходя через внешнюю цепь от анода к катоду, снабжают энергией подключенную к прямому метанольному топливному элементу нагрузку.
Газоподводящие системы как анодной, так и катодной частей содержат: входные каналы, через которые из внешнего источника поступают газообразные реагенты; выходные каналы, которые служат для удаления во вне продуктов электрохимических реакций и избытка реагентов; а также большое число газораспределительных каналов, с помощью которых реагенты подаются к газодиффузионным слоям.
Во избежании накопления в газораспределительных каналах воды, которая может блокировать нормальную работу газоподводящей системы и всего топливного элемента в целом, в предлагаемом нами устройстве от высокочастотного генератора (на рисунке не показан) через контакты 5 на встречно-штыревой преобразователь 3 подается переменное напряжение. При этом на поверхности пьезоэлектрической подложки 2, покрытой пленкой наноструктурированного углерода 4, возбуждается поверхностная акустическая волна. Данная волна, взаимодействуя с микрообъемами воды (на рисунке не показаны), располагающимися в газораспределительных каналах 9, формирует в них неоднородное акустическое поле. Это поле вызывает упорядоченное поступательной движение частиц воды, совпадающее с направлением распространения поверхностной акустической волны.
Покрытие пьезоэлектрической подложки 2, пленкой наноструктурированного углерода 4 позволяет достичь следующих целей:
- за счет высокой химической стойкости наноуглеродных пленок поверхность микронасоса приобретает надежную защиту от побочных продуктов, образующихся в катодной части прямого метанольного топливного элемента и обладающих высокой окислительной способностью;
- снижается мощность высокочастотного генератора, необходимая для перемещения микрообъемов воды.
- При этом фактически отсутствует поглощение энергии поверхностной акустической волны при ее передаче от пьезоэлектрической подложки 2 к микрообъемам воды..
Приведенный ниже пример подтверждает, но не ограничивает применение данного изобретения.
Пример 1.
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента изготовлен по схеме, описанной выше. В газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, представляющий из себя пьезокристалл ниобата лития (кристаллографическая ориентация поверхности - 128° YX срез), на котором нанесена пленка графена и обособленно от нее с помощью оптической литографии и технологии "lift off" из алюминиевой пленки толщиной 70 нм сформирован встречно-штыревой преобразователь, производящий поверхностную акустическую волну с длиной волны 64 мкм и частотой 62 МГц. При временно отсоединенной анодной части, а также при снятых протонообменной мембране и газодиффузионном слое, в газораспределительные каналы катодной части с помощью микродозатора вводились различные тестовые массивы капель воды. Капли имели объем от 1 до 3 мкл. После включения микронасоса во всех случаях для удаления из газораспределительных каналов всего массива капель требовалось не более 5 секунд. При этом максимальная мощность высокочастотного генератора, необходимая для активации движения капель указанных размеров, не превосходила 1 Вт.
Пример 2.
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента из примера 1 при работе с выключенным микронасосом продемонстрировал максимальное значение удельной электрической мощности равное 11.9 мВт/см2. В случае работы с включенным микронасосом максимальное значение удельной электрической мощности составило 14.3 мВт/см2 (прирост 20.2%).
Пример 3.
Лабораторный прототип прямого метанольного топливного элемента отличается от лабораторного прототипа из примера 1 тем, что в газоподводящую систему его катодной части встроен микронасос, содержащий пленку графена с прикрепленными к нему углеродными нанотрубками. Данный лабораторный прототип при работе с выключенным микронасосом достиг максимальной удельной электрической мощности равной 12.1 мВт/см2. При включении микронасоса значение максимальной удельной электрической мощности повысилось до 14.5 мВт/см2 (прирост 19.8%).
Как видно из приведенных примеров предлагаемая конструкция микронасоса позволяет эффективно удалять воду из катодной части топливных элементов, что делает возможным достижение этими приборами ныне недоступных значений удельной электрической мощности.

Claims (4)

1. Прямой метанольный топливный элемент, содержащий в своей катодной части расположенную между газодиффузионным слоем и электро- и теплопроводящей жесткой пластиной газоподводящую систему, отличающийся тем, что в газоподводящую систему встроен микронасос для принудительного удаления воды, при этом микронасос содержит пьезоэлектрическую подложку с расположенными на ее поверхности встречно-штыревым преобразователем и обособленно от него пленкой наноструктурированного углерода, причем встречно-штыревой преобразователь полностью изолирован от газоподводящей системы и выполнен с возможностью соединения с высокочастотным генератором и с возможностью формирования поверхностной акустической волны, а газоподводящая система расположена на пленке наноструктурированного углерода и выполнена в виде перегородок, которые образуют входной, выходной и линейные газораспределительные каналы, при этом продольные оси линейных газораспределительных каналов перпендикулярны штырям встречно-штыревого преобразователя.
2. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая подложка выполнена из ниобата лития.
3. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пленка наноструктурированного углерода выполнена из графена.
4. Прямой метанольный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пленка наноструктурированного углерода выполнена из графена и прикрепленных к нему углеродных нанотрубок.
RU2016126961A 2016-07-05 2016-07-05 Прямой метанольный топливный элемент RU2691127C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126961A RU2691127C1 (ru) 2016-07-05 2016-07-05 Прямой метанольный топливный элемент

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126961A RU2691127C1 (ru) 2016-07-05 2016-07-05 Прямой метанольный топливный элемент

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2691127C1 true RU2691127C1 (ru) 2019-06-11

Family

ID=66947444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016126961A RU2691127C1 (ru) 2016-07-05 2016-07-05 Прямой метанольный топливный элемент

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2691127C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2169936C2 (ru) * 1995-04-14 2001-06-27 Пирелли Кави Э Системи С.П.А Акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления
JP2004152491A (ja) * 2002-09-30 2004-05-27 Nec Corp 燃料電池の運転方法および燃料電池およびこれを搭載した携帯機器および携帯電話機
US7179557B2 (en) * 2003-12-30 2007-02-20 Utc Fuel Cells, Llc Direct antifreeze cooled fuel cell power plant with passive water management
CN101188298A (zh) * 2006-11-16 2008-05-28 南亚电路板股份有限公司 免浓度侦测装置的直接甲醇燃料电池系统
WO2012120457A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 Nokia Corporation An apparatus for transducing a surface acoustic wave
CN105449246A (zh) * 2016-01-18 2016-03-30 武汉理工大学 一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2169936C2 (ru) * 1995-04-14 2001-06-27 Пирелли Кави Э Системи С.П.А Акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления
JP2004152491A (ja) * 2002-09-30 2004-05-27 Nec Corp 燃料電池の運転方法および燃料電池およびこれを搭載した携帯機器および携帯電話機
US7179557B2 (en) * 2003-12-30 2007-02-20 Utc Fuel Cells, Llc Direct antifreeze cooled fuel cell power plant with passive water management
CN101188298A (zh) * 2006-11-16 2008-05-28 南亚电路板股份有限公司 免浓度侦测装置的直接甲醇燃料电池系统
WO2012120457A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 Nokia Corporation An apparatus for transducing a surface acoustic wave
CN105449246A (zh) * 2016-01-18 2016-03-30 武汉理工大学 一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shaegh et al. Air-breathing membraneless laminar flow-based fuel cell with flow-through anode
Sundarrajan et al. Progress and perspectives in micro direct methanol fuel cell
US8202668B2 (en) Fuel cell device
US20060263671A1 (en) Bipolar plate having integrated gas-permeable membrane
JP2008521209A (ja) 二液電解質膜なしマイクロチャネル燃料電池
JP2005522846A (ja) 燃料電池におけるガス輸送の制御
WO2004032271A1 (ja) 燃料電池の運転方法および燃料電池およびこれを搭載した携帯機器および携帯電話機
Moreno-Zuria et al. Evolution of microfluidic fuel stack design as an innovative alternative to energy production
JP2018147784A (ja) 燃料電池システム
KR100429685B1 (ko) 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판
JP4935477B2 (ja) 高性能小型燃料電池
US20060141322A1 (en) Fuel cell system
JP2006012790A (ja) 改質装置及びこれを採用した燃料電池システム
RU2691127C1 (ru) Прямой метанольный топливный элемент
JP4643393B2 (ja) 燃料電池
CN1691393A (zh) 燃料处理装置、具有该装置的燃料电池系统及其驱动方法
JP4304334B2 (ja) 3次元多孔質シリコン構造を用いたマイクロ燃料改質器
KR100861786B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및연료전지 시스템
JP5059416B2 (ja) 燃料電池
KR100863725B1 (ko) 수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템
JP2004014192A (ja) 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法
JP5082291B2 (ja) 燃料電池装置
JP2006004784A (ja) 燃料電池装置
JP2006294628A (ja) 燃料電池およびこれを搭載した携帯機器
Wadsworth et al. Nanochannel arrays as supports for proton exchange membranes in microfluidic fuel cells