CZ303860B6 - Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag - Google Patents
Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag Download PDFInfo
- Publication number
- CZ303860B6 CZ303860B6 CZ20120241A CZ2012241A CZ303860B6 CZ 303860 B6 CZ303860 B6 CZ 303860B6 CZ 20120241 A CZ20120241 A CZ 20120241A CZ 2012241 A CZ2012241 A CZ 2012241A CZ 303860 B6 CZ303860 B6 CZ 303860B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- plate
- catalyst
- plates
- separator
- cathode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 title description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 title description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 21
- 238000007789 sealing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000013047 polymeric layer Substances 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 39
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 23
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 16
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 11
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Substances [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002849 PtRu Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 229920000831 ionic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- -1 platinum metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
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
Palivový clánek H.sub.2.n. - O.sub.2.n. s katalyzátorem na bázi Ni, Al.sub.2.n.O.sub.3.n., C a Ag, který sestává ze struktury MEA, je tvoren sestavou desek, opatrených drázkami s tesnením, a montázními otvory pro svorníky, pricemz v deskách jsou dále vytvoreny otvory pro prívod kyslíku a prívod vodíku a také pro odvod vodíku a odvod vodní páry, kde soucástí této sestavy jsou deska separátoru, k níz priléhají z jedné strany deska anody a z druhé strany deska katody, která je otocena o 180.degree. oproti desce anody. K temto deskám dále priléhají krycí desky. Deska katody i deska anody tvorí pracovní elektrody, které jsou na povrchu opatreny tenkou vrstvou Ni, pricemz dále jsou v desce anody i v desce katody vytvoreny kanálky, jsou z cásti vyplneny katalyzátorem o slození Ni, Al.sub.2.n.O.sub.3.n., C a Ag a z cásti difuzní elektrodou, kterou tvorí výpln o slození C, V, Fe, a Ni. Temto pracovním elektrodám ze strany difuzní elektrody priléhají krycí desky, zatímco ze strany katalyzátoru je mezi nimi usporádána deska separátoru na povrchu opatrená polymerní vrstvou, která tvorí rozhraní mezi pracovními elektrodami, pricemz deska separátoru je dále tvorena nosicem, ve kterém je usporádán elektrolyt.
Description
Oblast techniky
Vynález se týká palivového článku H2 - O2, kteiý sestává ze struktury MEA s katalyzátorem na bázi Ni, A12O3, C a Ag.
Dosavadní stav techniky
Palivové články (PČ) představují perspektivní zdroj energie použitelný v mnoha oblastech lidské činnosti. Výhodou palivových článků je jejich vysoká účinnost přeměny energie, jednoduchá konstrukce s absencí pohyblivých částí a tichý provoz. Jejich masivnímu rozšíření však brání jejich vysoká cena a poměrně malá životnost některých součástí článku. Dalším problém je distribuce paliva, neboť není vybudována distribuční síť. Palivový článek je zařízení, které souvisle přeměňuje chemickou energii paliva na energii elektrickou. Palivové články tedy podobně jako baterie vytváří elektřinu elektrochemickou cestou. Základními prvky palivového článku jsou dvě elektrody (zápomá-katoda a kladná-anoda) a elektrolyt. Jejich struktura závisí na použitém palivu, případně na použitém typu okysličovadla. Palivem mohou být, plynné, kapalné i tuhé látky. Z plynů lze zmínit např. vodík H2 a oxid uhličitý CO2, z kapalin metanol CH3OH a tuhých látek některé kovy (sodík Na, hořčík Mg, zinek Zn, kadmium Cd). Okysličovadlem mohou být některé plynné (kyslík O2, chlor Cl2), kapalné i tuhé látky (oxid rtuťnatý HgO, oxid manganičitý MnO2), ale z praktických důvodů je jako okysličovadlo upřednostněn kyslík O2. Záporná elektroda musí být přizpůsobena skupenství paliva. Je-li palivem plyn, musí na ní být vytvořeno co nejvíce míst, kde se může setkávat fáze plynná (palivo), kapalná (některé elektrolyty) a pevná (katalyzátor a elektroda). Záporná elektroda je od kladné oddělena separátorem, který propouští pouze vybrané ionty. Vzhledem k tomu, že okysličovadlem je plyn pak pro kladnou elektrodu platí stejné podmínky umožňující styk všech tří fází.
Pokud je palivem vodík, pak články vytvářejí jen elektrickou energii a vodu. Jako nejvhodnější články při použití vodíku jako paliva se jeví články s polymemí elektrolytickou membránou. Základem membránového palivového článku je iontová vodivá polymemí membrána-PEM (proton exchange membrane) vložená mezi dvě elektrody. Rozhraní mezi elektrodami a membránou je obohaceno katalyzátorem, který urychluje chemické reakce na elektrodách. MEA (membrane electrode assembly) označuje uspořádání membránových elektrod. Struktura MEA je tvořena dvěma elektrodami (anodou a katodou) a polymemí membránou (nejčastěji používaným materiálem membrány v současnosti je polymer, jehož polymemí řetězec se skládá ze tří částí. Jedná se o materiál na bázi teflonu s bočně vázanými perfluorvinyl-polyétorovými segmenty nesoucími vázané iontoměniče skupiny -SCTEE. Tento materiál je stabilní do teploty 130 °C a vykazuje vysokou vodivost protonů ET. Nevýhodou této membrány je její vysoká cena a vzhledem ke kyselému charakteru membrány je navíc nutné používat katalyzátory na bázi platiny (Pt), což cenu takto konstruovaného PC dále navyšuje.
MEA se vyrábí slisováním polymemí membrány o tloušťce 0,12 až 0,25 mm s katalytickými vrstvami mezi porézní elektrody při teplotě nad teplotou skelného přechodu polymeru. Elektrody, s kterými se lze v dnešní době nejčastěji setkat, jsou vyráběny z porézního uhlíkového materiálu (grait) tzv. plynově difúzní elektrody, jejichž struktura je protkána sítí kanálků s velmi malým průřezem. Tyto kanálky slouží pro rozvod plynného paliva či okysličovadla (kyslíku u H2 - O2 článků) a mohou mít různý tvar i průřez. Na povrch uhlíkových elektrod je třeba deponovat pomocí vhodné metody (např. vakuovým naparováním, chemickou depozicí) velmi tenkou vrstvu katalyzátoru. Nejběžněji užívaným katalyzátorem je Pt nebo Pd. Tyto jmenované katalyzátory jsou v přímém kontaktu, jak s reakčními plyny (H2 - O2), tak s membránou a umožňují průběh reakcí uvnitř článku MEA je vložena mezi desky s mikro kanálky, které k elektrodám přivádějí plynné palivo a od katody pak odvádějí vzniklou vodu. Do uspořádání MEA se běžně zahrnuje
- 1 CZ 303860 B6 i vnější kontaktní a krycí část, která jednak uzavírá a kryje uspořádání elektrod, ale především zajišťuje elektrický kontakt mezi elektrodami a připojeným elektrickým obvodem a vykonává funkci tzv. elektrického kolektoru. Vodík je přiváděn na anodu, kde na vrstvě katalyzátoru dochází k jeho disociaci na kladné ionty (protony) a elektrony. Protony procházejí skrze separátor, např. iontovou polymemí membránu, zatímco elektrony jsou nuceny procházet externím okruhem a mohou tedy konat užitečnou práci. Na katodě pak sloučením dvou kladně nabitých iontů (protonů) a dvou elektronů za přítomnosti atomu kyslíku vzniká voda. Na katodu je přiváděn kyslík nejčastěji jako součást vzduchu.
Katalyzátor v chemickém pojetí je výraz označující chemickou látku, vstupující do chemické reakce, která za daných podmínek tuto reakci urychluje. U palivových článků, kde palivem je vodík a oxidačním činidlem je kyslík, plní katalyzátory dvě základní úlohy.
• Především umožňují oxidaci vodíku na anodě při provozních teplotách, tlacích koncentracích, přítomných reaktantů a obdobně na katodě napomáhají redukci kyslíku za vzniku vody.
• Druhou úlohou katalyzátorů u nízkoteplotních palivových článků je pak napomáhat oxidaci nežádoucích látek, tzv. katalytických či elektrodových jedů, přítomných v palivu.
Na tomto místě je třeba diskutovat použití PC H2 - O2 s kyselou membránou, kdy u takto uspořádaných PC se setkáváme s problémem, že kyselé prostředí elektrolytu snižuje rychlost redukce kyslíku na katodě oproti alkalickým PC, a proto se katalyzátor přidává i na tuto elektrodu. Vzhledem k faktu, že kyselé prostředí elektrolytu je nepříznivé pro většinu katalyzátorů (katalyzátory na bázi neušlechtilých kovů se mohou v takovém prostředí zcela rozpustit), je třeba volit takové katalyzátory, které takovémuto prostředí dlouhodobě odolávají (Pt, slitina PtRu apod.). Zde je třeba zvážit, zda výhodné vlastnosti ušlechtilých kovů, jakými je chemická stabilita a odolnost, zcela vyváží jejich vysokou cenu na trhu. Proto je snahou nahrazovat tyto katalyzátory z ušlechtilých kovů dostupnějšími a levnějšími materiály. Pro většinu neušlechtilých kovů je vhodnější použít alkalickou membránu (PEM). Je známo použití neušlechtilého katalyzátoru- niklu. Vzhledem k chemickým vlastnostem niklu je nutné pro jeho činnost jako katalyzátoru používat PČ s alkalickou PEM. V PČ s MEA na bázi niklu plní tento kov funkci katalyzátoru a je přítomný na obou elektrodách.
Nikl (Ni) je přechodný prvek (neušlechtilý kov) nacházející se v periodické tabulce v oblasti tzv. triády železa, stejně jako platina v VIII. skupině periodické tabulky podle normy značení CAS 1986. Už z umístění niklu ve stejné skupině periodické soustavy prvků jako platina vyplývají jisté podobné chemické vlastnosti těchto dvou kovů a též obdobný způsob chování v chemických reakcích. Nikl má schopnost pohlcovat velká množství vodíku, a to zejména za zvýšené teploty.
Podstata vynálezu
Cílem tohoto vynálezu je vytvořit palivový článek s nízkou cenou separátoru-membrány, s dostatečnou životností dle použití, s vysokou iontovou vodivostí v rozsahu operačních teplot kolem cca 50 °C, který bude použitelný zejména při výrobě elektrické energie.
Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny uspořádáním palivového článku H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, A12O3, C a Ag, který sestává ze struktury MEA, jež tvoří dvojice elektrod a polymemí membrána, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen sestavou desek, opatřených drážkami, ve kterých je uspořádáno těsnění a montážními otvory pro svorníky, přičemž v deskách jsou dále vytvořeny otvory pro přívod kyslíku a přívod vodíku a také pro odvod vodíku a odvod vody anebo vodní páry, kde součástí této sestavy jsou deska separátoru, k níž přiléhají z jedné strany deska anody a z druhé strany deska katody, která je otočena o 180° oproti desce anody. K těmto deskám dále přiléhají krycí desky, přičemž deska katody i deska anody tvoří pracovní elektrody, které jsou na povrchu opatřeny tenkou vrstvou Ni. Dále jsou v desce anody
-2CZ 303860 B6 i v desce katody vytvořeny kanálky, které jsou z části vyplněny katalyzátorem o složení Ni, AI2O3, C a Ag a z části difuzní elektrodou, kterou tvoří výplň o složení C, V, Fe, a Ni, kde těmto pracovním elektrodám ze strany difuzní elektrody přiléhají krycí desky, zatímco ze strany katalyzátoru je mezi nimi uspořádána deska separátoru na povrchu opatřená polymemí vrstvou, která tvoří rozhraní mezi pracovními elektrodami, přičemž deska separátoru je dále tvořena nosičem, ve kterém je uspořádán elektrolyt.
Z praktických důvodů se jeví jako výhodné, když sestava desek má tvar čtyřúhelníku.
Z praktických důvodů se jeví rovněž jako výhodné, když tenká vrstva Ni, která je deponovaná na povrch pracovní elektrody, vykazuje tloušťku 15 až 25 pm.
Pro snížení nákladů na výrobu separátoru (membrány) palivového článku je výhodné, je-li nosná část separátoru tvořena soustavou skelných nebo polymemích vláken. Nosná část separátoru slouží jako nosič elektrolytu, který je v podobě taveniny hydroxidu draselného (KOH) uspořádán, jak na jeho povrchu, tak i v prostoru mezi jednotlivými vlákny nosiče.
Použití hydroxidu draselného jako elektrolytu má vícero výhod. Jedná se především o nízkou korozivnost a podstatně rychlejší reakci. To umožňuje použití neplatinových kovů jako elektrokatalyzátorů k dosažení vyšší proudové hustoty a také elektrochemické účinnosti PC, než je tomu v případě použití kyselých elektrolytů.
Výhody výše uvedeného uspořádání palivového článku spočívají též v tom, že při použití niklu (Ni) jako antikorozního materiálu, z něhož jsou vytvořeny vrstvy pokrývající pracovní elektrody, jsou náklady na zhotovení PČ takovéto konstrukce až l.OOOkrát levnější v porovnání s palivovými články, kde jsou použity kovy platina (Pt) a palladium (Pd). Nikl (Ni) jako vstupní prvek je na obchodním trhu poměrně levný materiál a odpadá tedy nákladnost při samotné výrobě katalyzátoru oproti případu, kdy je formou galvanického pokovování pracovních elektrod použit drahý katalyzátor platina (Pt), PtRu nebo palladium (Pd). Nikl jako eventuální řešení i také jako náhražka velmi drahých katalyzátorů se bude uplatňovat při výrobě palivových článků v širokém spektru. Náklady klesnou na takovou mez, že palivový článek bude standardním zdrojem energie v moderní elektrotechnice, především naleze uplatnění v lékařství (dlouhodobý zdroj elektrické energie), automobilovém průmyslu, domácnosti a všude, kde je třeba permanentní zdroj elektrické energie.
Další výhoda navrženého palivového článku spočívá v cenové dostupnosti, jak pro samotného výrobce PČ, tak pro firemní odběratele či samotné koncové zákazníky.
Zanedbatelné není ani to, že PČ popisovaný v tomto vynálezu je lehký, bezpečný i jednoduchý na výrobu a údržbu. Všechny součásti MEA jsou k sehnání v dobré cenové dostupnosti.
Vzájemná kombinace PČ je výhodná nejen pro jednoduchost skladby vzájemně spojených palivových článků, ale také pro cenovou dostupnost použitých katalyzátorů a separátorů, přičemž v případě havárie článku nedojde k ekologickému zatížení okolí, kde je článek nasazen.
Přehled obrázků na výkresech
Příklad provedení palivového článku podle tohoto vynálezu je znázorněn na přiložených výkresech, kde obr. 1 znázorňuje sestavu palivového článku s pracovními elektrodami, separátorem a krycími deskami s naznačenými vstupy paliva-vodíku a okysličovadla-kyslíku a výstupy vody a vodíku, obr. 2 složený palivový článek, obr. 3 pracovní desku katody opatřenou kanálky, obr. č. 4 pracovní desku anody opatřenou kanálky, obr. 5 desku separátoru, obr. 6 znázorňuje krycí desku a obr. 7 řez MEA strukturou palivového článku.
-3CZ 303860 B6
Příklady provedení vynálezu
Palivový článek podle tohoto vynálezu bude osvětleno pomocí několika výhodných provedení, které však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.
Palivový článek je znázorněn na obr. 1 až 7, přičemž sestava PČ je schematicky znázorněna na obr. 1. Strukturu PC podle tohoto vynálezu tvoří sestava desek čtyřúhelníkového profilu, které jsou opatřeny na okrajích montážními otvory 2 pro svorníky. Dále jsou desky po obou stranách opatřeny drážkami 18 pro těsnění 8. Montážní otvory 2 o průměru 6 až 8 mm, slouží k dotažení krycích desek i a struktury MEA tj. desky 5 separátoru, desky 3 anody a desky 4 katody. Stejné montážní otvory 2 jsou vytvořeny i uprostřed těchto desek. Dále jsou v deskách vytvořeny otvory, které slouží pro odvod a přívod paliva a okysličovadla. Jedná se o otvor 12 přívodu kyslíku a otvor 11 přívodu vodíku. Desky jsou též opatřeny otvorem 13 pro odvod vodíku a otvorem 14 odvodu vody anebo vodní páry. Mikronový plynový filtr je uspořádán mimo PČ, jak na odvodu vodíku, tak na přívodu vodíku a také na odvodu vody nebo vodní páry a na přívodu kyslíku. Mikronový plynový filtr není na obrázcích znázorněn.
Strukturu MEA PČ tvoří deska 5 separátoru, kníž přiléhají z jedné strany deska 3 anody a z druhé strany deska 4 katody otočená o 180° oproti desce 3 anody, k těmto deskám dále přiléhají krycí desky 1, přičemž deska 4 katody i deska 3 anody tvoří pracovní elektrody.
Deska 5 separátoru je znázorněna na obr. 4. Deska 5 separátoru je opatřená montážními otvory 2 a také otvory, které slouží pro odvod a přívod paliva, či okysličovadla. Deska 5 separátoru v tomto provedení sestává z nosné části - nosiče, v níž je uspořádán elektrolyt 16, s výhodou hydroxid draselný (KOH). Jako nosnou část pro elektrolyt 16 lze použít nevodivý porézní materiál odolný pro teploty kolem 350 °C, který je nosičem elektrolytu 16. V této nosné části se elektrolyt 16 nachází v podobě ztuhlé taveniny KOH o koncentraci až 99 % KOH. Nosnou část desky 5 separátoru může tvořit porézní hmota, která se může skládat ze soustavy skelných vláken v podobě síťoviny nebo vaty, nebo síťoviny na bázi vláken z křemenného skla, tato vlákna jsou k sobě za tepla lisovaná a vznikne kompaktní porézní hmota, která má výborné savé účinky, v níž je elektrolyt 16 uchycen. Porézní materiál, který nese elektrolyt 16, musí být pro plyn nepropustný, čehož se například dosáhne deponováním polymemí vrstvy 17 např. silikonu, teflonu apod. na povrch desky 5 separátoru. Silikon ve formě mletého prášku o velikosti zrn 0,002 mm je zalisován do povrchu desky 5 separátoru. V silikonové vrstvě vzniknou mikrokanálky, které mají vysokou viskozitu pro kapalinu. Tím je zamezeno úniku plynu přes porézní materiál. Elektrolyt 16 je do porézního materiálu, z něhož je zhotovena nosná část-nosič, zalisován při teplotě kolem 350 °C. Při této teplotě zásaditý elektrolyt 16, např. čistý KOH mění své fyzikální skupenství z pevné látky na kapalnou a díky tomu lze takto vytvořenou taveninu KOH zalisovat do porézního materiálu.
Silikonová vrstva na povrchu desky 5 separátoru chrání a přispívá k prodloužení životnosti, jak separátoru, tak samotného funkčního stavu palivového článku. Polymemí vrstva 17, například silikonu, která je vhodnou technologií deponována na celý povrch desky 5 separátoru, udržuje kapalnou část elektrolytu 16 v pracovním prostředí separátoru (tzn. uvnitř separátoru) a při styku s katalyzátorem 7 se vytvoří přechod separátor - elektrolyt - katalyzátor, který je nezbytný pro provoz palivového článku. Vlastnost silikonu odpuzovat vodu má za důsledek, že určité procento vázané vody zůstává v desce 5 separátoru. Polymemí vrstva 17 silikonu dále udržuje pracovní elektrolyt v desce 5 separátoru a zabraňuje průsaku do katalických vrstev. Po obvodu desky 5 separátoru je v drážce 18 pro těsnění uspořádáno těsnění 8, které je určeno k utěsněni pracovního prostoru separátoru a pracovních elektrod, jak je patrné z obr. 3 a obr. 4 a obr. 5.
Deska 3 anody, která tvoří jednu z pracovních elektrod, je znázorněna na obr. 3. Deska je čtyřúhelníkového profilu, a jak je uvedeno výše, je opatřená montážními otvory 2 pro svorníky. Dále jsou v desce 4 katody vytvořeny otvory, které slouží pro odvod a přívod paliva či okysličovadla.
-4CZ 303860 B6
Deska 4 katody, která tvoří jednu z pracovních elektrod, je znázorněna na obr. 4. Deska 4 katody má čtyřúhelníkový profil, a jak je uvedeno výše, je opatřená montážními otvory 2 pro svorníky. Dále jsou v desce 4 katody vytvořeny otvory, které slouží pro odvod a přívod paliva či okysličovadla.
Dále jsou v desce 3 anody i v desce 4 katody vytvořeny rozvodné kanálky 10 pro rozvod paliva a okysličovadla ke katalyzátoru 7. Rozvodný kanálek 10 má v příčném řezu tvar čtyřúhelníku, v doporučených rozměrech do 2 x 2 mm, a je na obou svých koncích opatřen plynným filtrem, který není jeho integrální součástí PČ. Rozvodný kanálek 10 je vytvořen, jak na desce 3 anody, tak na desce 4 katody. Deska 4 katody je otočena o 180° proti desce 3 anody. Důvodem je, aby při spojení pracovní elektrody přiléhaly k desce 5 separátoru tou stranou, kde je v drážce uspořádán katalyzátor 7.
Rozvodné kanálky 10, vytvořené v pracovních elektrodách, jsou z jedné strany vyplněny katalyzátorem 7 a z druhé strany jsou rozvodné kanálky 10 vyplněny výplní 15. Výplň 15 slouží pro urychlení rozvodu pracovního plynu k aktivnímu katalyzátoru 7 a také slouží díky své nasákavosti odvodu odpadní vody z reakce. Dále výplň 15 slouží jako difúzní elektroda 6, jejíž mikrokanálky slouží k průchodu plynů v tomto případě O2 a H2.
Katalyzátor 7 tvoří směs Ni 40 % hmotn., AI2O3 40 % hmotn., C 10 % hmotn., Ag 10 % hmotn. Tato směs je do rozvodných kanálků 10 lisována za vysoké teploty.
Plynová difuzní elektroda 6 je tvořena výplní 15, kterou tvoří směs C 90 % hmotn., V 5 % hmotn., Fe 2 % hmotn., a Ni 3 % hmotn.
Na tyto pracovní elektrody, tj. desku 4 katody a desku 3 anody, je deponována vhodnou metodou vrstva porézního niklu (Ni) o tloušťce 25 pm, jehož čistota je 99 %, který plní funkci antikorozní vrstvy. Tato antikorozní vrstva je například galvanicky nanesena na tělo pracovní elektrody, jehož materiál tvoří ocel, měď (Cu), nikl (Ní), apod.
K pracovním elektrodám přiléhají krycí desky i, které kryjí pracovní elektrody na straně výplně 15.
Příkladné provedení palivového článku je popsáno na obr. 1 a obr. 7. Palivový článek v tomto provedení tvoří struktura MEA, jež sestává z desky 3 anody a desky 4 katody (pracovní elektrody vytvořené z oceli) a desky 5 separátoru. Desky 3 anody a desky 4 katody jsou opatřeny porézní vrstvou Ni, která slouží jako antikorozní úprava. K těmto pracovním elektrodám, tj. anodě i katodě, přiléhá deska 5 separátoru, který slouží k urychlení samotné katalytické reakce a má za následek polarizační efekt k odstranění kapacitního efektu pracovních elektrod, aby se samotná katalytická reakce nezastavila.
V palivovém článku je použit alkalický elektrolyt 16, jenž jev kontaktu s pracovními elektrodami. Produkované odpadní teplo ohřívá elektrolyt 16 a postupně je s jeho obíháním plynule odváděno z článku.
Deska 5 separátoru obsahuje nosnou vrstvu tvořenou porézní hmotou určenou pro uchovávání elektrolytu 16. Tato porézní hmota slouží jako nosič elektrolytu 16. Deska 5 separátoru na povrchu opatřená polymemí vrstvou 17 s kapilárami slouží jako membrána. Kapiláry uvnitř polymerní vrstvy 17. např. silikonu zprostředkovávají kontakt elektrolytu 16 s katalyzátorem 7. Při samotné katalytické reakci se soustava MEA, tj. pracovní elektrody tj. deska 4 katody a deska 3 anody a deska 5 separátoru, účastní katalytické reakce.
Elektrolyt 16 uložený v nosné části desky 5 separátoru, která je porézní, se tak se dostává až k pracovním elektrodám s katalyzátorem 7, což má za následek zvýšení katalytické reakce na
-5CZ 303860 B6 těchto elektrodách. Deska 5 separátoru propouští vybrané ionty. Takováto konstrukce separátoru 5 plně nahradí cenově nákladnou a výrobně složitou PEM membránu.
Vlastní hodnoty testovaného palivového článku se soustavou MEA obsahující desku 5 separátoru, kde jako elektrolyt 16 je použit hydroxid draselný (KOH) o koncentraci 99 %, jsou uvedeny níže.
Měřeno zátěžový watt metr: Nabíjeno reverzně: Zátěžový odpor:
Palivo dodáno pod tlakem: Čistota paliva H2:
Čistota paliva O2:
Teplota:
Vlhkost vzduchu: Zvlhčovači kapalina:
07090017446 - Q.C PASSED (2) MASTECH -HY1803D 10W, jakost 1, tolerance 0,3 %
1.8 atm.
99,2 % - dodáno z tlakové lahve Lindě 90 % - dodáno z tlakové lahve Lindě 23,5 “Celsia
32%
Destilovaná voda o čistotě 99 %
| ToS H2 | Napětí Vuc 1,057 V | Napětí Vpm 0,656 V | Napětí cru 0,450 V - 1 ohmZIOV |
| Provozní proud | 0,6 až 0,8 A | ||
| Zkratový proud | 1,18A | ||
| Hustota plochy 64 cm2 = 1 Wh |
Palivo:
Tlak stažení článků: Palivo neomezený tlak: Účinnost:
Vnitřní kapacita: Vnitřní odpor:
Materiál:
Obnova při přetížení: Čas pro aktivaci:
Samo vybíjení:
pouze H2 + O2 kg/1 cm2 atm
45% nano
0,9 Mohm mezi elektrodami a separátorem kladná a záporná elektroda, ocel s porézní vrstvou - houbovitým povrchem lOhm/lOW bočník 1,2 s na nominální napětí čas aktivace do plného výkonu 30 s
Průmyslová využitelnost
Palivový článek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, A12Oj, C a Ag lze použít pro vytváření patřičné rezervy energie ve formě plynného paliva jako nosiče energie, které lze následně v případě požadavků zpětně použít pro výrobu elektrické energie.
Claims (3)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Palivový článek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, A12O3, C a Ag, který sestává ze struktury MEA, jež je tvořena dvěma elektrodami (anodou a katodou) a polymemí membránou, vyznačující se tím, že je tvořen sestavou desek, opatřených drážkami (18) pro těsnění, ve kterých je uspořádáno těsnění (8), a montážními otvory (2) pro svorníky, přičemž v deskách jsou dále vytvořeny otvory pro přívod (12) kyslíku a přívod (11) vodíku a také pro odvod (13) vodíku a odvod (14) vodní páry, kde součástí této sestavy jsou deska (5) separátoru, k níž přiléhají z jedné strany deska (3) anody a z druhé strany deska (4) katody, která je otočena o 180° oproti desce (3) anody, k těmto deskám dále přiléhají krycí desky (1), přičemž deska (4) katody i deska (3) anody tvoří pracovní elektrody, které jsou na povrchu opatřeny tenkou vrstvou Ni, přičemž dále jsou v desce (3) anody i v desce (4) katody vytvořeny kanálky (10), které jsou z části vyplněny katalyzátorem (17) o složení Ni, A12O3, C a Ag a z části difuzní elektrodou (6), kterou tvoří výplň (15) o složení C, V, Fe, a Ni, kde těmto pracovním elektrodám ze strany difuzní elektrody (6) přiléhají krycí desky (1), zatímco ze strany katalyzátoru (7) je mezi nimi uspořádána deska (5) separátoru na povrchu opatřená polymemí vrstvou (17), která tvoří rozhraní mezi pracovními elektrodami, přičemž deska (5) separátoru je dále tvořena nosičem, ve kterém je uspořádán elektrolyt (16).
- 2. Palivový článek, podle nároku 1, vyznačující se tím, že katalyzátor (7) tvoří směs o složení Ni 40 % hmotn., A12O3 40 % hmotn., C 10 % hmotn., Ag 10 % hmotn., a výplň (15) tvoří směs o složení C 90 % hmotn., V 5 % hmotn., Fe 2 % hmotn., a Ni 3 % hmotn.
- 3. Palivový článek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že sestava desek má čtyřúhelníkový profil.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20120241A CZ303860B6 (cs) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20120241A CZ303860B6 (cs) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2012241A3 CZ2012241A3 (cs) | 2013-05-29 |
| CZ303860B6 true CZ303860B6 (cs) | 2013-05-29 |
Family
ID=48485830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20120241A CZ303860B6 (cs) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ303860B6 (cs) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1271682A2 (de) * | 2001-06-27 | 2003-01-02 | BASF Aktiengesellschaft | PEM-Brennstoffzelle |
| CN101229999A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-30 | 陕西科技大学 | 一种利用固体超强酸作为催化剂制备油酸醇酯的方法 |
| CZ24317U1 (cs) * | 2012-04-06 | 2012-09-17 | Plisková@Eva | Jsou popsány substituované isochinolinové deriváty obecného vzorce I, ve kterémjednotlivé substituenty mají význam specifický, ajejich fannaceuticky přijatelné soli, farmaceutické prostředky s obsahemtakových sloučenin a způsob léčby a/nebo profylaxe využívající takové deriváty, dáleje popsáno použití těchto derivátů k výrobě léčiva, jakož i způsob přípravy substituovaných isochinolinových derivátů obecného vzorce I, reakcí sloučeniny obecného vzorce II se sloučeninou obecného vzorce HI. Popsané sloučeniny nacházejí použitíjako látky působící proti křečím. |
-
2012
- 2012-04-06 CZ CZ20120241A patent/CZ303860B6/cs unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1271682A2 (de) * | 2001-06-27 | 2003-01-02 | BASF Aktiengesellschaft | PEM-Brennstoffzelle |
| CN101229999A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-30 | 陕西科技大学 | 一种利用固体超强酸作为催化剂制备油酸醇酯的方法 |
| CZ24317U1 (cs) * | 2012-04-06 | 2012-09-17 | Plisková@Eva | Jsou popsány substituované isochinolinové deriváty obecného vzorce I, ve kterémjednotlivé substituenty mají význam specifický, ajejich fannaceuticky přijatelné soli, farmaceutické prostředky s obsahemtakových sloučenin a způsob léčby a/nebo profylaxe využívající takové deriváty, dáleje popsáno použití těchto derivátů k výrobě léčiva, jakož i způsob přípravy substituovaných isochinolinových derivátů obecného vzorce I, reakcí sloučeniny obecného vzorce II se sloučeninou obecného vzorce HI. Popsané sloučeniny nacházejí použitíjako látky působící proti křečím. |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Int. J. Hydrgen Energy 36(17):10(2011) (abstrakt) * |
| Nature 414, 15 November 2001, s. 345-352 (cely clanek) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2012241A3 (cs) | 2013-05-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| de Leon et al. | A direct borohydride—Acid peroxide fuel cell | |
| Ma et al. | A simple direct borohydride fuel cell with a cobalt phthalocyanine catalyzed cathode | |
| JP7152032B2 (ja) | 電気化学電池及びその使用方法 | |
| CN107075700A (zh) | 有机氢化物制造装置及使用其的有机氢化物的制造方法 | |
| TWI686988B (zh) | 與無重組器燃料電池相關之裝置的製造方法以及此裝置的操作方法 | |
| EP4219792B1 (en) | Compression device | |
| JP2014509052A (ja) | 高性能プロトン交換膜燃料電池 | |
| US20090202882A1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system including the same | |
| JP2008519420A (ja) | 膜電極アッセンブリの耐久性向上のための分割アーキテクチャ | |
| JP2004172105A (ja) | 燃料電池システムの運転方法および燃料電池システム | |
| JP2004103296A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| US20090029203A1 (en) | Fuel Cell System With an Electrochemical Hydrogen Generation Cell | |
| US20240234747A9 (en) | Method for producing catalyst layers for fuel cells | |
| JP2004158387A (ja) | 固体高分子型燃料電池用の電極構造体 | |
| CA2685798C (en) | Membraneless fuel cell and method of operating same | |
| CZ24317U1 (cs) | Jsou popsány substituované isochinolinové deriváty obecného vzorce I, ve kterémjednotlivé substituenty mají význam specifický, ajejich fannaceuticky přijatelné soli, farmaceutické prostředky s obsahemtakových sloučenin a způsob léčby a/nebo profylaxe využívající takové deriváty, dáleje popsáno použití těchto derivátů k výrobě léčiva, jakož i způsob přípravy substituovaných isochinolinových derivátů obecného vzorce I, reakcí sloučeniny obecného vzorce II se sloučeninou obecného vzorce HI. Popsané sloučeniny nacházejí použitíjako látky působící proti křečím. | |
| JP5022707B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2009503254A (ja) | 複数の圧縮可能な層を含む流動場部材を備えた電気化学セル | |
| CZ303860B6 (cs) | Palivový clánek H2 - O2 s katalyzátorem na bázi Ni, Al2O3, C a Ag | |
| US8026017B2 (en) | High voltage methanol fuel cell assembly using proton exchange membranes and base/acid electrolytes | |
| US20140147758A1 (en) | Fuel cell system | |
| GB2567226A (en) | Fuel cell or electrolyser assembly | |
| JP2009266681A (ja) | 燃料電池 | |
| KR20230039855A (ko) | 역전압 방지를 위한 고분자 전해질 연료전지용 막전극 접합체 | |
| WO2014080174A1 (en) | Proton exchange membrane fuel cell |