ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19)
RU
(11)
2396638
(13)
C1
(51) МПК
H01M8/00 (2006.01) B82B1/00 (2006.01)
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 17.09.2010 - действует
(21), (22) Заявка: 2009117282/09, 07.05.2009
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 07.05.2009
(46) Опубликовано: 10.08.2010
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
RU 2006120726 А, 27.12.2007. RU 2329571 C1, 20.07.2008. JP 2004349029 А, 09.12.2004. US 5599640 А, 04.02.1997.
Адрес для переписки: 249039, Калужская обл., г. Обнинск, а/я 9004, Ю.Б. Базанову
(72) Автор(ы): Трусов Лев Ильич (RU), Федотов Владимир Петрович (RU), Красько Людмила Борисовна (RU), Гринберг Виталий Аркадьевич (RU), Скундин Александр Мордухаевич (RU)
(73) Патентообладатель(и): Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ" (RU), Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова" (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) (RU)
(54) ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА
(57) Реферат:
Изобретение относится к портативному источнику тока - автономное зарядное устройство (АЗУ), на основе прямого окисления боргидридов щелочных металлов, которые могут быть использованы в автономных и стационарных источниках водорода, для питания водородно-воздушных топливных элементов, а также в топливных элементах прямого окисления растворенного топлива, например, в портативных автономных зарядных устройствах для телефонной связи и в автомобильной промышленности. Согласно изобретению портативный источник тока содержит мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной трехслойной градиентотно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом (6М КОН). На одну поверхность пластины нанесен слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильный слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение. Техническим результатом является повышение концентрации кислорода, снижение омических потерь, экологическая безопасность АЗУ. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к портативному источнику тока - автономное зарядное устройство (АЗУ), на щелочных топливных элементах с градиентно-пористыми матричными структурами, которые могут быть использованы в автономных и стационарных источниках водорода, для питания водородно-воздушных топливных элементов, а также в топливных элементах прямого окисления растворенного топлива - боргидридов щелочных металлов, например, в портативных автономных зарядных устройствах для телефонной связи и в автомобильной промышленности.
Известные топливные элементы прямого электрохимического окисления для выработки электроэнергии из твердофазного органического топлива содержат катод, снабженный электрокатализатором восстановления; анод, снабженный катализатором электрохимического окисления, и твердый оксидный электролит, являющийся средством для переноса кислорода от катода к аноду (см., например, заявку RU2006120726). Указанный топливный элемент может быть использован при высоких температурах (950-1200°С).
Согласно настоящему изобретению в качестве основного компонента топлива в разрабатываемом устройстве используется боргидрид щелочного металла (преимущественно, натрия). Боргидриды щелочных металлов имеют наиболее высокую теоретическую удельную энергию (9296 Вт·ч·кг-1 для NaBH4). Сочетание преимуществ (химическая стойкость боргидридов, дешевизна, доступность, растворимость в воде продуктов электрохимических превращений, безопасность при транспортировке, получение в качестве продукта прямого окисления метабората натрия, возможность работы при комнатной температуре, отсутствие потребности в дополнительной энергии для реализации процесса в реакторе, конструкция которого максимально проста) делают боргидридно-воздушные ТЭ крайне привлекательными в качестве источников тока. Поэтому топливные элементы с прямым окислением борогидридов могут использоваться в более широком температурном интервале (от -20 до 70°С) по сравнению с другим жидкими топливами (см. А.Ю.Цивадзе и др. в статье «Новые электрокатализаторы для топливного элемента (ТЭ) с прямым окислением боргидридов (Доклады Академии Наук, 2007, т.414, 2, с.211-214).
Задачей настоящего изобретения является разработка нового портативного источника тока (АЗУ) с использованием бесплатиновых наноразмерных катализаторов электровосстановления кислорода воздуха и прямого электрокисления боргидридов щелочных металлов в боргидридных топливных элементах с высокой стабильностью каталитической активности и нового электролита. Указанные источники являются более стабильными в работе, они доступнее и дешевле, чем ранее известные источники.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышенные концентрации кислорода и снижение омических потерь.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается портативный источник тока, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М КОН. На одну поверхность пластины нанесен слой бесплатинового катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом углеродном носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе. Причем слой катодного катализатора граничит с газодидиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение.
Дополнительно предлагается в гелевый электролит ввести перфторированное соединение в виде соли теломерных или полностью фторированных кислот H(CF2)nCOON(C4H9)4, где n=2, 3 или C4F9COON(C4H9)4 (10-12%).
Атомное соотношение компонентов сплава Ni:Ru:F составляет (8-12):1:(1-5).
Дополнительно предлагается пластину из пористого непроводящего материала выполнить толщиной 50÷150 мкм из керамики и/или стекла с пористостью 60÷90% и средним размером пор 1÷10 мкм.
Сплав анодного катализатора представляет собой брутто-состав Ni12RuF5.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство, где 1 - пластина из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим 6М КОН, 2 - слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, 3 - гидрофильной слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, 4 - газодиффузионный слой, выполненный из пористого тефлона, 5 - камера с жидким топливом. Объем топлива должен быть достаточным для обеспечения энергозапаса 20 Вт·ч.
Устройство работает следующим образом. В камеру 5 заливают топливо (электролит с боргидридом натрия и добавками), которое, проходя через гидрофильной слой анодного катализатора 3, поступает в рабочую зону (оба электрода смочены электролитом). Источник тока готов к работе. При присоединении к потребителю энергии, например мобильному телефону, цепь замыкается. Рабочее напряжение (0,6-0,7 В) от зарядного устройства с помощью DC-DC конвертера преобразуется в напряжение (3,8-5,4 В) и поступает на потребитель, при этом через цепь течет постоянный ток (около 185-260 мА), необходимый для заряда мобильного телефона.
Ниже приведены реакции, протекающие в межэлектродном зазоре.
Общая реакция
ВН4-+2O2ВО2-+2H2O
Еo=1.64 В
Анодные реакции
ВН4-+8OH-BO2-+6Н2О+8е-
Еo=-1.24 В
ВН4-+4OH-BO2-+2H2O+2Н2+4е-
2Н2+4OH-4H2O+4е-
Катодная реакция
2O2+4H2O+8е-8OH-
Eo=-0.40 В
Для эффективного использования боргидридно-воздушных топливных элементов для АЗУ необходимо решить ряд задач по предотвращению гидролиза или резкому торможению гидролиза боргидридов в растворе и на аноде, предотвращению или торможению переноса боргидрид-ионов к катоду, на котором эти ионы взаимодействуют с кислородом, уменьшению скорости побочной реакции окисления боргидрида с образованием водорода. Водород, проникая через градиентно-пористую структуру катодного катализатора 2 и газодиффузионный слой 4 выводится в атмосферу.
Проведенные исследования показали, что при использовании в качестве топлива боргидрида натрия, а в качестве окислителя - кислорода воздуха, с применением высокоактивных катодных и анодных модулей на основе градиентно-пористых структур, снабженных бесплатиновыми наноэлектрокатализаторами, характеристики топливных элементов резко возрастают (при напряжении 0.8 В плотность тока окисления боргидрида составляла 51.5 мА/см2, а при рабочих напряжениях 0.7÷0.6 В 70-90 мА/см2), что обеспечивает удельные мощности на уровне до 50 мВт/см2.
Для сравнения, по литературным данным, удельная энергия некоторых ТЭ на основе системы «боргидрид» - воздух составляет 180 Вт·ч/кг (в расчете на вес топлива) и удельной мощности 20 мВт/см2 при комнатной температуре и плотности тока разряда 5 мА/см2.
Предлагаемая конструкция АЗУ на основе прямого окисления топлива обеспечивает его экологическую безопасность.
На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика боргидридно-воздушного ТЭ при комнатной температуре. Состав электролита 1MNaBH4, 10% C4F9COON(C4H9)4, 10% глицерина в 5 мл 6 М КОН (без загустителя)
Длительные испытания боргидридно-воздушного ТЭ при постоянном напряжении 0.7 В показали, что плотность тока окисления была стабильной и составляла от 70 до 80 мА·см-2.
Формула изобретения
1. Портативный источник тока, содержащий мембранно-электродный блок, выполненный на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, представляющей собой пластину из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом (6 М КОН), на одну поверхность которой нанесен слой катодного катализатора, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе, а на другую поверхность нанесен гидрофильный слой анодного катализатора, представляющий собой сплав Ni-Ru-F, имеющий форму наночастиц, на пористом углеродном носителе, причем слой катодного катализатора граничит с газодиффузионным слоем, выполненным из пористого тефлона, а слой анодного катализатора граничит с камерой, заполненной жидким топливом, представляющим собой боргидрид щелочного металла в щелочном растворе гелевого электролита, включающем вторичное топливо, выбранное из многоатомного спирта, такого как глицерин, метилцеллозольв в качестве загустителя и перфторированное соединение.
2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что гелевый электролит содержит перфторированное соединение в виде соли теломерных или полностью фторированных кислот H(CF2)nCOO N(C4H9)4, где n=2, 3, или C4F9COON(C4H9)4 (10-12%).
3. Источник тока по п.1 с анодным катализатором, в котором атомное соотношение компонентов сплава Ni:Ru:F составляет (8-12):1:(1-5).
4. Источник тока по п.1, в котором пластина из пористого непроводящего материала выполнена толщиной 50÷150 мкм из керамики и/или стекла.
5. Источник тока по п.4, в котором пластина выполнена с пористостью 60÷90% и средним размером пор 1÷10 мкм.
6. Источник тока по п.1, в котором газодиффузионный слой из пористого тефлона выполнен толщиной 150÷300 мкм.
7. Источник тока по п.1, в котором сплав анодного катализатора представляет собой брутто-состав Ni12RuF5.