RU2387053C1 - Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte - Google Patents
Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387053C1 RU2387053C1 RU2008151280/09A RU2008151280A RU2387053C1 RU 2387053 C1 RU2387053 C1 RU 2387053C1 RU 2008151280/09 A RU2008151280/09 A RU 2008151280/09A RU 2008151280 A RU2008151280 A RU 2008151280A RU 2387053 C1 RU2387053 C1 RU 2387053C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- battery
- fuel cell
- charger
- batteries
- Prior art date
Links
Images
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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления батареи топливных элементов с твердым полимерным электролитом, которая может быть использована в качестве источника питания портативных электронных устройств, а также в зарядных устройствах, предназначенных для мобильных телефонов и переносных компьютеров. Батарея топливных элементов с твердым полимерным электролитом найдет широкое практическое применение как источник питания мобильных портативных установок, если она будет иметь при том же объеме мощности меньшие размеры и массу, чем гальванические элементы. Зарядные устройства на основе батарей топливных элементов также могут найти широкое практическое применение, если они будут портативны, мобильны и смогут автономно работать в районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. В этом случае батареи топливных элементов смогут заменить гальванические элементы в портативных мобильных электронных установках, а зарядные устройства обеспечат широкое применение мобильных телефонов и переносных компьютеров в районах, где отсутствует электроснабжение. При этом технология изготовления батареи топливных элементов должна быть простой и позволять организацию массового производства.The present invention relates to electrical engineering and can be used to manufacture a battery of solid polymer electrolyte fuel cells, which can be used as a power source for portable electronic devices, as well as in chargers for mobile phones and laptop computers. A battery of solid polymer electrolyte fuel cells will find wide practical application as a power source for mobile portable units if it has smaller dimensions and mass than the galvanic cells with the same amount of power. Chargers based on fuel cell batteries can also find wide practical application if they are portable, mobile and can work autonomously in areas where there is no centralized power supply. In this case, the batteries of the fuel cells will be able to replace the galvanic cells in portable mobile electronic installations, and the chargers will ensure the widespread use of mobile phones and laptop computers in areas where there is no power supply. Moreover, the technology of manufacturing a fuel cell battery should be simple and allow the organization of mass production.
Известна конструкция батареи топливных элементов с твердым полимерным электролитом (1), в которой единичные топливные элементы размещаются один над другим. Каждый из них состоит из мембраны, пары электродов со слоем катализатора, расположенных с двух сторон мембраны, а также пары сепараторов, предназначенных для подачи к одному электроду газообразного водорода, а к другому окислителя. Сепараторы также используют и в процессе сопряжения электродов топливного элемента с мембраной. В качестве материала уплотнительных элементов применяют полимер с полиизобутиленовой основой.A known design of a solid polymer electrolyte fuel cell battery (1), in which single fuel cells are placed one above the other. Each of them consists of a membrane, a pair of electrodes with a catalyst layer located on both sides of the membrane, as well as a pair of separators designed to supply hydrogen gas to one electrode and an oxidizer to the other. Separators are also used in the process of pairing the electrodes of the fuel cell with the membrane. As the material of the sealing elements, a polymer with a polyisobutylene base is used.
Недостатком известной конструкции батареи топливных элементов является большой объем и вес, обусловленные относительно большой толщиной и весом двух сепараторов, использующихся в каждом единичном топливном элементе. Поэтому известная батарея, состоящая из нескольких топливных элементов, имеет большую толщину, что затрудняет либо делает невозможным применение известной батареи в действующих мобильных электронных устройствах взамен традиционных источников питания.A disadvantage of the known design of a fuel cell battery is the large volume and weight due to the relatively large thickness and weight of the two separators used in each single fuel cell. Therefore, the known battery, consisting of several fuel cells, has a large thickness, which makes it difficult or impossible to use the known battery in existing mobile electronic devices instead of traditional power sources.
Известен способ изготовления миниатюрного топливного элемента с твердым полимерным электролитом (2), в котором сопряжение слоев топливного элемента осуществляют без участия сепараторов, заключающийся в том, что изготавливают металлические электроды, в которых в единой конструкции содержится пористая часть электрода и токоотводы от нее, расположенные по всему краю пористой части электрода. На поверхность токоотводов наносят клеевую пленку. Между пористыми частями электродов укладывают пленку твердого полимерного электролита. После чего проводят термическое прессование пакета при давлении 0,8-2 МПа и температуре 150°C. В процессе термического прессования пористую часть электродов внедряют в каталитические слои на пленке твердого полимерного электролита, а токоотводы склеивают между собой и получают миниатюрные топливные элементы.There is a method of manufacturing a miniature fuel cell with a solid polymer electrolyte (2), in which the layers of the fuel cell are coupled without separators, which consists in the manufacture of metal electrodes in which the porous part of the electrode and current collectors from it are located in a single structure the entire edge of the porous part of the electrode. An adhesive film is applied to the surface of the down conductors. A film of solid polymer electrolyte is placed between the porous parts of the electrodes. Then conduct thermal pressing of the bag at a pressure of 0.8-2 MPa and a temperature of 150 ° C. In the process of thermal pressing, the porous part of the electrodes is introduced into the catalytic layers on the film of a solid polymer electrolyte, and the collectors are glued together and receive miniature fuel cells.
К достоинству способа следует отнести прочную связь между электродами и твердым полимерным электролитом, что исключает необходимость механического прижима слоев топливного элемента. При этом уменьшается вес и объем топливного элемента.The advantage of the method should include a strong bond between the electrodes and the solid polymer electrolyte, which eliminates the need for mechanical clamping of the layers of the fuel cell. This reduces the weight and volume of the fuel cell.
Известен способ изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом (3). Способ предназначен для изготовления топливных элементов большой мощности и заключается в том, что на сетчатой подложке изготавливают анодный и катодный электродные слои, которые в единой металлической конструкции содержат определенное число пористых электродных основ, токоотводов от них и шину для отвода тока от электродного слоя. Для чего на сетчатой подложке защищают разрозненные участки, предназначенные для пористых электродных основ, а на свободную поверхность сетчатой подложки осаждают электролитическую медь и никель и получают сплошные токоотводы и шину. На оборотную сторону электродных слоев осаждают шероховатый осадок электролитического никеля. На поверхность токоотводов и шины электродного слоя укладывают клеевую прокладку. В пленке твердого полимерного электролита вырезают окна, соответствующие расположению клеевой прокладки, и укладывают ее между электродами. Затем проводят прессование слоев топливного элемента, при котором шероховатая поверхность электродных слоев внедряется в пленку твердого полимерного электролита, а токоотводы и шины электродных слоев склеивают между собой.A known method of manufacturing a fuel cell with a solid polymer electrolyte (3). The method is intended for the manufacture of high power fuel cells and consists in the fact that anodic and cathodic electrode layers are made on a mesh substrate, which in a single metal structure contain a certain number of porous electrode bases, current collectors from them and a bus to drain current from the electrode layer. For this, scattered areas intended for porous electrode substrates are protected on the mesh substrate, and electrolytic copper and nickel are deposited on the free surface of the mesh substrate and continuous collectors and busbars are obtained. A rough precipitate of electrolytic nickel is deposited on the back of the electrode layers. An adhesive strip is laid on the surface of the down conductors and the busbars of the electrode layer. In the film of solid polymer electrolyte, windows corresponding to the location of the adhesive strip are cut out and placed between the electrodes. Then, the layers of the fuel cell are pressed, in which the rough surface of the electrode layers is embedded in the film of a solid polymer electrolyte, and the collectors and busbars of the electrode layers are glued together.
Преимущество известного способа заключается в том, что он позволяет изготавливать топливный элемент с твердым полимерным электролитом, имеющим малую толщину при большой поверхности электродных слоев до 1000 квадратных сантиметров и прочную связь между слоями, исключающую необходимость в применении сепараторов для сопряжения слоев топливного элемента.An advantage of the known method is that it allows the manufacture of a fuel cell with a solid polymer electrolyte having a small thickness with a large surface of the electrode layers of up to 1000 square centimeters and a strong bond between the layers, eliminating the need for separators to interface the layers of the fuel cell.
Известен способ изготовления батарей топливных элементов с твердым полимерным электролитом (4). Способ включает изготовление слоистого блока из единичных топливных элементов. Каждый единичный топливный элемент состоит из двух электродных слоев, между которыми расположена пленка твердого полимерного электролита. С двух сторон каждого единичного топливного элемента располагают сепараторы. Каждый сепаратор оборудован реакционными камерами, через которые топливо или окислитель поступают к электродам. Сепараторы оборудованы также каналами для принудительной подачи топлива или окислителя в соответствующие камеры. Кроме того, сепараторы имеют проходные каналы и для выпуска отработанных продуктов из камер. Каналы для подачи и выпуска продуктов имеют различные размеры, что обеспечивает необходимое давление в камерах. Входные и выходные каналы соединены со сборниками продуктов с помощью коллекторов. Способ принят за прототип.A known method of manufacturing a fuel cell battery with a solid polymer electrolyte (4). The method includes manufacturing a layered block of single fuel cells. Each single fuel cell consists of two electrode layers, between which is a film of solid polymer electrolyte. Separators are arranged on both sides of each single fuel cell. Each separator is equipped with reaction chambers through which fuel or oxidizing agent enters the electrodes. The separators are also equipped with channels for the forced supply of fuel or oxidizer to the respective chambers. In addition, the separators have passage channels for the release of waste products from the chambers. The channels for supplying and discharging products have various sizes, which provides the necessary pressure in the chambers. The inlet and outlet channels are connected to product collectors via collectors. The method adopted for the prototype.
К недостаткам способа прототипа следует отнести низкую удельную мощность батареи топливных элементов. Это объясняется большой массой и объемом батареи из-за несовершенства конструкции батареи топливных элементов, в которой каждый электрод сопряжен с камерой для топлива или окислителя, которая является частью сепаратора. Поскольку батарея топливных элементов состоит из двух единичных топливных элементов, а каждый топливный элемент включает два электрода, то батарея топливных элементов имеет четыре сепаратора. Это увеличивает толщину и массу батареи. Кроме того, для передвижения топлива и окислителя через камеры, расположенные в сепараторе, необходимы миниатюрные насосы, а для сопряжения разрозненных слоев батареи топливных элементов необходимы приспособления для их механического прижима. Это также увеличивает толщину и массу батареи. Большая толщина известной конструкции батареи топливных элементов затрудняет или делает невозможным ее применение в портативных мобильных устройствах. Технология изготовления батареи топливных элементов способом прототипа сложная, трудоемкая и малопригодная для массового производства.The disadvantages of the prototype method include the low specific power of the battery of fuel cells. This is due to the large mass and volume of the battery due to the imperfection of the design of the fuel cell battery, in which each electrode is paired with a chamber for fuel or oxidizer, which is part of the separator. Since the fuel cell battery consists of two single fuel cells, and each fuel cell includes two electrodes, the fuel cell battery has four separators. This increases the thickness and weight of the battery. In addition, miniature pumps are needed to move the fuel and oxidizer through the chambers located in the separator, and devices for mechanically pressing them are needed to interface the disparate layers of the fuel cell battery. It also increases the thickness and weight of the battery. The large thickness of the known design of the fuel cell battery makes it difficult or impossible to use it in portable mobile devices. The manufacturing technology of the fuel cell battery by the prototype method is complex, time-consuming and of little use for mass production.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления единичной батареи топливных элементов с твердым полимерным электролитом с меньшей толщиной и массой и большей удельной мощностью. При этом толщина и масса батареи топливных элементов должна быть соизмеримой или меньше чем толщина и масса источников питания, основанных на гальванических элементах, что может позволить использовать батарею топливных элементов в качестве источников питания портативных мобильных электронных устройств. Кроме того, способ должен позволять на основе определенного числа единичных батарей топливных элементов изготавливать зарядное устройство для мобильных телефонов и переносных компьютеров, которые можно было бы использовать длительное время в автономном режиме в районах, где отсутствует централизованное электроснабжение. Заявленный способ изготовления батареи топливных элементов должен быть простым, не требовать сложного оборудования для своего осуществления и быть пригодным в массовом производстве.The objective of the invention is to develop a method of manufacturing a single battery of fuel cells with a solid polymer electrolyte with a smaller thickness and weight and a higher specific power. In this case, the thickness and mass of the fuel cell battery must be comparable or less than the thickness and mass of power sources based on galvanic cells, which may allow the use of a fuel cell battery as power sources of portable mobile electronic devices. In addition, the method should allow, on the basis of a certain number of single fuel cell batteries, to manufacture a charger for mobile phones and laptop computers, which could be used for a long time offline in areas where there is no centralized power supply. The claimed method of manufacturing a fuel cell battery should be simple, not require sophisticated equipment for its implementation, and be suitable for mass production.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе (4) батарею топливных элементов изготавливают из единичных топливных элементов, камер для топлива, каналов для поступления топлива в камеру и отвода отработанных продуктов из камеры, коллектора и сборника для топлива. Заявленный способ отличается тем, что при изготовлении батареи топливных элементов из двух единичных топливных элементов их располагают в батарее таким образом, что электроды топливных элементов, которые предназначены для окисления топлива, устанавливают друг против друга. Между этими электродами топливных элементов по всему их периметру размещают диэлектрическую прокладку определенной толщины и приклеивают к ним. В результате получают камеру, предназначенную для топлива, которая принадлежит обоим топливным элементам. Каналы для поступления топлива в камеру и отвода из нее отработанных продуктов создают в толщине прокладки. Электроды единичных топливных элементов, которые предназначены для восстановления окислителя, располагают с внешней стороны батареи и они находятся в контакте с кислородом в составе воздуха. В результате получают единичную батарею топливных элементов с твердым полимерным электролитом. Определенное число единичных батарей топливных элементов устанавливают в горизонтальный ряд и соединяют их между собой последовательно. После чего определенное число горизонтальных рядов единичных батарей соединяют между собой параллельно и получают зарядное устройство с необходимым напряжением и мощностью, в котором все составляющие его единичные батареи топливных элементов расположены в одной плоскости. Единичные батареи в зарядном устройстве устанавливают в окна пластмассовых рамок. Число окон в каждой пластмассовой рамке соответствует числу единичных батарей в горизонтальном ряду, а число пластмассовых рамок в зарядном устройстве равно числу горизонтальных рядов единичных батарей. Пластмассовые рамки соединяют между собой гибким материалом, что позволяет сложить плоское зарядное устройство в пакет и получить мобильное зарядное устройство.This object is achieved by the fact that in the known method (4), a fuel cell battery is made of single fuel cells, fuel chambers, channels for supplying fuel to the chamber and removal of waste products from the chamber, collector and collector for fuel. The claimed method is characterized in that in the manufacture of a battery of fuel cells from two single fuel cells they are placed in the battery so that the electrodes of the fuel cells, which are designed for oxidation of the fuel, are set against each other. Between these electrodes of the fuel cells around their perimeter, a dielectric gasket of a certain thickness is placed and glued to them. The result is a chamber designed for fuel that belongs to both fuel cells. Channels for the flow of fuel into the chamber and the removal of waste products from it are created in the thickness of the strip. The electrodes of single fuel cells, which are designed to restore the oxidizing agent, are located on the outside of the battery and they are in contact with oxygen in the air. The result is a single battery of solid polymer electrolyte fuel cells. A certain number of single fuel cell batteries are installed in a horizontal row and connected to each other in series. After that, a certain number of horizontal rows of single batteries are connected in parallel with each other and get a charger with the necessary voltage and power, in which all of the individual battery cells of its fuel cells are located in one plane. Single batteries in the charger are installed in the windows of the plastic frames. The number of windows in each plastic frame corresponds to the number of single batteries in a horizontal row, and the number of plastic frames in the charger is equal to the number of horizontal rows of single batteries. Plastic frames are interconnected by a flexible material, which allows you to fold a flat charger into a bag and get a mobile charger.
Предлагаемый способ поясняется на фиг.1-3. На фиг 1 представлена единичная батарея топливных элементов с твердым полимерным электролитом. На фиг.2 показано плоское зарядное устройство в виде горизонтальных рядов единичных батарей. На фиг.3 показано зарядное устройство в виде мобильного портативного пакета.The proposed method is illustrated in figures 1-3. Figure 1 presents a single battery of solid fuel cells with a solid polymer electrolyte. Figure 2 shows a flat charger in the form of horizontal rows of single batteries. Figure 3 shows the charger in the form of a mobile portable package.
Единичная батарея топливных элементов 1, фиг 1, состоит из двух единичных топливных элементов 2 и 3, изготовленных по способу (2), и камеры для топлива 4. Топливные элементы 2 и 3 состоят из электродов 5 и 5', предназначенных для окисления топлива, и электродов 6 и 6', предназначенных для восстановления окислителя. Каждый электрод содержит пористую часть 7 и токоотвод от нее 8. Между пористой частью 7 электродов 5 и 6, а также 5' и 6' расположена пленка твердого полимерного электролита 9 с нанесенными с двух ее сторон каталитическими слоями. Между токоотводами 8 электродов 5 и 6 расположена клеевая прокладка. Камера 4 состоит из стенок, образованных электродами 5 и 5' и диэлектрической прокладкой 10. Прокладка 10 имеет два отверстия, расположенные с двух противоположных сторон прокладки. Отверстия в прокладке предназначены для установки каналов 11 и 12. Прокладку 10 приклеивают к токоотводам 8 электродов 5 и 5'. В качестве материала прокладки 10 может быть использована пластмасса, которая должна удовлетворять следующим требованиям: высокая электрическая прочность, химическая стойкость в органических растворителях, водостойкость и механическая прочность. Таким требованиям удовлетворяет, например, стеклотекстолит марки СТ-11 (5). Стеклотекстолитовую прокладку получают путем прессования пакета из стеклоткани марки Э толщиной 0,1-0,12 мм, пропитанной термореактивным клеем, при температуре отверждения клея. Толщина прокладки 10 равна толщине камеры 4. Толщина прокладки 10 определяется числом слоев стеклоткани, уложенных в пакет для прессования. Клеевое связующее для склеивания прокладки 10 с топливными элементами 2 и 3 должно удовлетворять следующим требованиям: хорошая адгезия к металлу и пластмассе, химическая стойкость и влагостойкость. Таким требованиям отвечает, например, клей на основе полиуретана марки ПУ- 2/10 (6). Каналы 11 и 12 изготавливают из прозрачного термопласта, например из полипропилена. Каналы 11 и 12 имеют одинаковые размеры и конструкцию, которая состоит из опорной части, по форме и размерам соответствующей отверстиям в прокладке 10, она предназначена для установки и закрепления каналов 11 и 12 в отверстиях прокладки 10, и крышки, которая выступает над поверхностью прокладки 10. Крышка имеет два трубчатых патрубка, которые предназначены для поступления топлива в камеру 4, а также для удаления отработанных продуктов. Трубчатые патрубки имеют колпачки, которыми закрывают патрубки при герметизации камеры.4. На фиг 1 показан процесс заполнения камеры 4 топливом из резервуара для топлива. Сборник топлива расположен выше батареи топливных элементов 1. Гибкая трубка сборника топлива соединена с патрубком канала 12. С патрубка канала 11 снимают колпачок, после чего начинают заполнять камеру 4. Топливо, заполняя камеру 4, выдавливает из нее воздух, который выходит в открытый патрубок канала 11. После появления топлива в канале 11 прекращают подачу топлива из сборника. Патрубок канала 11 закрывают колпачком, после чего отделяют гибкую трубку сборника от патрубка канала 12 и его закрывают колпачком.A single
Поскольку метанол характеризуется большим значением удельной плотности энергии, равной 4720 Вт-час/литр, то суточное потребление метанола миниатюрной батареей может быть равно нескольким сантиметрам кубическим. Необходимое количество метанола для продолжительной работы батареи топливных элементов можно разместить в портативном сборнике топлива. Топливо из сборника можно выдавливать в соответствующий канал, так как он имеет гибкие стенки. Канал 12 также используют при необходимости освобождения камеры 4 от отработанных продуктов. Электроды 6 и 6' топливных элементов 2 и 3 обращены непосредственно к окислителю в составе воздуха. Такая конструкция единичной батареи топливных элементов имеет существенно меньший объем, чем батарея топливных элементов, изготовленная способом прототипа, так как в предложенной конструкции батареи только одна топливная камера 4 заменяет четыре сепаратора, которые надо было бы применить, если бы батарею из двух единичных топливных элементов изготавливали бы способом прототипа. Объем камеры 4 равен объему метанола, который необходим для непрерывной работы батареи топливных элементов в течение, например, 48 часов. Объем метанола при мощности, равной, например, 0,2 Вт, и продолжительности работы батареи при полном заполнении камеры 4 метанолом в течение 48 часов и плотности энергии метанола, равной 4,72 Вт-час/см3, равен (0,2 Вт×48 час):4,72 Вт-час/см3=2 см3. Поверхность стенок камеры 4, состоящих из электродов топливных элементов, поверхность которых равна, например, 5,05×2,см=10,1 см2. Толщина камеры 4 равна: 2 см3:10,1 см2=0,2 см. Толщина батареи топливных элементов равна сумме толщин двух топливных элементов 2 и 3 и камеры 4. Толщина топливного элемента, изготовленного по способу (2), равна 0,02 см. Тогда толщина единичной батареи топливных элементов равна 0,02+0,02+0,2=0,24 см или 2,4 мм. Толщина батареи топливных элементов, которая изготовлена способом прототипа, существенно больше чем 2,4 мм, так как только толщина одного сепаратора в батарее равна не менее 2 мм. Как видно, разработанная конструкция единичной батареи топливных элементов эффективна, так как позволяет существенно уменьшить толщину батареи топливных элементов и увеличить ее удельную мощность. Предложенный способ изготовления батареи топливных элементов простой, так как сводится к изготовлению диэлектрической прокладки 10 и каналов 11 и 12 и последующей сборке конструкции батареи топливных элементов путем склеивания прокладки 10 с топливными элементами 2 и 3. К преимуществу разработанного способа можно отнести и то, что работа батареи топливных элементов не нуждается в миниатюрных насосах для подачи окислителя и топлива в камеры, а также и в приспособлениях для механического сопряжения технологических слоев, составляющих батарею.Since methanol is characterized by a large specific energy density of 4720 Watt-hour / liter, the daily consumption of methanol by a miniature battery may be several centimeters cubic. The required amount of methanol for continuous operation of the battery of fuel cells can be placed in a portable fuel collector. Fuel from the collector can be squeezed into the corresponding channel, since it has flexible walls.
Поскольку два единичных топливных элемента в батарее, фиг.1, соединены между собой последовательно проводником 13, то при напряжении единичного топливного элемента, равного 0,5-0,6 В, напряжение единичной батареи, состоящей из двух топливных элементов, равно 1-1,2 В, что соответствует численному значению рабочего напряжения гальванических батареек. Кроме того, толщина батареи топливных элементов существенно меньше толщины гальванических батареек, поэтому единичная батарея топливных элементов может быть применена в качестве источников питания в портативных мобильных электронных устройствах. Предложенный способ изготовления батареи топливных элементов может быть реализован без существенных затрат на приобретение нового оборудования и в массовом производстве.Since two single fuel cells in the battery, FIG. 1, are connected in series by a conductor 13, when the voltage of a single fuel cell is 0.5-0.6 V, the voltage of a single battery consisting of two fuel cells is 1-1 , 2 V, which corresponds to the numerical value of the operating voltage of galvanic batteries. In addition, the thickness of the battery of fuel cells is significantly less than the thickness of galvanic batteries, so a single battery of fuel cells can be used as power sources in portable mobile electronic devices. The proposed method of manufacturing a fuel cell battery can be implemented without significant costs for the purchase of new equipment and in mass production.
Кроме того, на основе новой конструкции батареи топливных элементов можно изготавливать плоское зарядное устройство, предназначенное для мобильного телефона и переносного компьютера. На фиг.2 показано плоское зарядное устройство, в котором единичные батареи топливных элементов 1 устанавливают в горизонтальный ряд 14. Их соединяют между собой в электрическую цепь последовательно с входным и выходным контактами цепи 15 и 16 соответственно. Число единичных батарей топливных элементов, которые устанавливают в горизонтальный ряд 14 и соединяют между собой последовательно, зависит от требуемой величины напряжения зарядного устройства и величины напряжения единичной батареи топливных элементов. Мощность зарядного устройства зависит от мощности, которую генерирует один горизонтальный ряд единичных батарей 14, и числа таких горизонтальных рядов единичных батарей в зарядном устройстве, которые соединяют между собой в электрическую цепь параллельно. Каналы 11, а также каналы 12 всех единичных батарей топливных элементов, установленных в горизонтальный ряд 14, соединяют между собой с помощью полых трубок, которые натягивают на трубчатые патрубки каналов, что позволяет одновременно заполнять топливом единичные батареи топливных элементов в горизонтальном ряду 14.In addition, on the basis of the new design of the fuel cell battery, it is possible to produce a flat charger designed for a mobile phone and laptop computer. Figure 2 shows a flat charger, in which a single battery of
Для установки и крепления единичных батарей в горизонтальном ряду 14 изготавливают пластмассовые рамки 17, которые имеют окна 18. Окна 18 по форме и размерам соответствуют форме и размерам единичной батареи 1. Окна 18 имеют карманы 19 для размещения канала 11, а также и карманы 20 для размещения канала 12. Пластмассовые рамки 17 можно изготавливать из прочной как из термопластичной, так и термореактивной пластмассы, например из полипропилена, ударно прочного полистирола или пресс-порошка с термореактивным клеевым связующим. Изготовление пластмассовых рамок 17 возможно как методом литья, так и методом прессования в соответствующих пресс-формах(7). Эти методы позволяют за одну технологическую операцию изготовить рамку 17 с карманами 19 и 20 и технологическими пазами 21. Технологические пазы 21 в рамке 17 предназначены для размещения проводов, которые соединяют единичные батареи в ряду 14 в последовательную электрическую цепь. Кроме того, технологические пазы в рамке 17 используют также для размещения трубок, соединяющих каналы 11 и 12 единичных батарей в ряду 14 для осуществления одновременного заполнения топливом камер 4 единичных батарей в ряду 14. Изготавливают необходимое число горизонтальных рядов единичных батарей и соответствующее им число пластмассовых рамок 17. В окна 18 рамки 17 устанавливают единичные батареи топливных элементов 1. В пазы 21 рамок 17 устанавливают провода, соединяющие в последовательную электрическую цепь единичные батареи топливных элементов, Кроме того, укладывают полые трубки, соединяющие каналы 11, а также каналы 12. Затем рамки 17 соединяют между собой гибкой тканью 22, например тканью марки 1045-ПК-28, которую изготавливают по ТУ-38105716-84 из одного слоя капрона с односторонним резиновым покрытием. Такая гибкая ткань - атмосферостойкая, водонепроницаемая, стойкая в органических растворителях. В результате получают плоское зарядное устройство. Заполняют топливом батареи топливных элементов в ряду 14, для чего с патрубка коллектора 23 отделяют колпак, а к коллектору 24 подсоединяют трубку от сборника топлива 25. Плоское зарядное устройство можно сложить при изгибе ткани 22 в пакет 26, фиг.3.For installation and fastening of single batteries in a
Толщина пакета 26 зависит от толщины пластмассовой рамки 17 и количества рамок в зарядном устройстве, например, при толщине рамки 17, равной 2,4 мм, и расстоянии между рамками 17 в пакете, равном 2 мм, толщина пакета из десяти рамок 17 будет иметь толщину 44 мм. При такой толщине пакета зарядное устройство будет портативным и мобильным. Зарядное устройство, изготовленное по заявленному способу, может работать автономно, поэтому его можно использовать в районах, удаленных от централизованного энергоснабжения. При необходимости возможно заполнять камеры 4 батарей топливных элементов в зарядном устройстве, которое сложено в пакет 26. Для чего сборник топлива 25 подсоединяют к коллектору 24, фиг 3. При большом значении плотности энергии метанола необходимый запас метанола для работы зарядного устройства в течение нескольких суток можно разместить в портативной мобильной таре, что также способствует использованию зарядного устройства на основе единичных батарей в районах, где отсутствует электроснабжение.The thickness of the bag 26 depends on the thickness of the
Процесс изготовления единичной батареи топливных элементов заявленным способом - простой. Он сводится к изготовлению прокладки 10 с двумя отверстиями, каналов 11 и 12 с крышками, имеющими по два трубчатых патрубка, которые закрывают колпачком, к изготовлению необходимого числа пластмассовых рамок 17 с отверстиями 18 для размещения в них единичных батарей топливных элементов 1 и технологических пазов 21. Предложенный способ изготовления батареи топливных элементов может быть осуществлен на известном оборудовании в массовом производстве.The manufacturing process of a single fuel cell battery of the claimed method is simple. It comes down to the manufacture of gaskets 10 with two holes,
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
Пример 1. Изготавливают единичную батарею топливных элементов, конструкция которой представлена на фиг 1, включающую два топливных элемента с твердым полимерным электролитом 2, 3 и камеру, предназначенную для топлива 4. В качестве топлива применяют метанол, а в качестве окислителя - кислород в составе воздуха. Батарею топливных элементов изготавливают длиной 50,5 мм и шириной 27,6 мм. Топливные элементы 2 и 3 в составе батареи 1 изготавливают способом (2). В соответствии с уровнем техники топливный элемент с твердым полимерным электролитом может генерировать ток с величиной плотности тока 5 или 6 мА/см2, при напряжении, равном 0,5 или 0,6 В. Батарея 1, фиг.1, состоит из двух топливных элементов 2 и 3, которые соединяют между собой последовательно проводником 13. Поэтому напряжение батареи топливных элементов равно 2×0,6 В=1,2 В. Величина тока батареи топливных элементов определяется генерирующей ток поверхностью электродов топливного элемента, равной 5,05 см×2,76 см, и плотностью генерированного тока, равного 0,006 А/см2. Величина тока батареи топливных элементов равна (5,05 см×2,76 см)×0,006 А/см2=0,0836 А. Определяем мощность единичной батареи топливных элементов: 0,0836 А × 1,2 В=0,1 Вт. Мощность единичной батареи топливных элементов соответствует мощности цилиндрической батарейки типа АА, равной 0,1 Вт, с длиной 50,5 мм и диаметром 14,5 мм. Определяем объем и толщину топливной камеры 4. Принимаем, что объем камеры 4 должен вмещать такое количество метанола, которое обеспечивает непрерывную работу батареи в течение 48 часов при мощности батареи 0,1 Вт. При плотности энергии метанола, равной 4,72 Вт-час/см3, объем метанола, необходимый для непрерывной работы батареи в течение 48 часов, равен (0,1 Вт×48 час):4,72 Вт-час/см3=1,016 см3. В соответствии с уравнением химической реакции окисления метанола кислородом она протекает в присутствии одной молекулы воды. Поэтому в качестве топлива необходимо применять водный раствор метанола от 10 до 64%. Применение водного раствора метанола связано с увеличением объема камеры 4, поэтому необходимо к расчетному количеству объема метанола добавить воду до получения объема водного его раствора. Например, при концентрации метанола, равной 30% к расчетному объему метанола, равному 1,016 см3, нужно добавить воду в количестве 2 см3. Объем водного раствора метанола равен 3,016 см3, соответственно и объем камеры 4 также равен 3,016 см3. Зная объем камеры 4 и величину поверхности стенок камеры, можно определить толщину камеры 4. Толщина камеры 4 равна: 3,016 см3: (5,05 см×2,76 см)=0,21 см. Толщина батареи топливных элементов равна сумме толщин топливных элементов 2 и 3 и толщины камеры 4. Толщина топливного элемента с твердым полимерным электролитом равна сумме толщин двух электродов 5 и 6 и толщины пленки твердого полимерного электролита 9. Толщина электрода топливного элемента, изготовленного по способу (2), равна 0,0035 см, толщина пленки твердого полимерного электролита равна 0,01 см. Толщина топливного элемента равна (2×0,0035)+0,01=0,017 см. Зная толщины топливных элементов 2 и 3 и камеры 4, определяем толщину батареи топливных элементов: (2×0,017 см)+0,21 см=0,244 см. Определяем объем батареи топливных элементов: 5,05 см×2,76 см×0,244 см=3,4 см3.Example 1. A single fuel cell battery is manufactured, the design of which is shown in FIG. 1, including two fuel cells with a solid polymer electrolyte 2, 3 and a chamber intended for fuel 4. Methanol is used as fuel, and oxygen in the composition of air is used as an oxidizing agent. . A fuel cell battery is made 50.5 mm long and 27.6 mm wide. Fuel cells 2 and 3 in the composition of the
Определяем вес батареи топливных элементов, который равен сумме весов двух топливных элементов 2 и 3, прокладки 10. Вес топливного элемента, который равен сумме весов двух электродов топливного элемента плюс вес твердого полимерного электролита. Пористые электроды 5 и 6 в топливном элементе изготовлены из никеля.We determine the weight of the fuel cell battery, which is equal to the sum of the weights of the two fuel cells 2 and 3, gaskets 10. The weight of the fuel cell, which is equal to the sum of the weights of the two electrodes of the fuel cell plus the weight of the solid polymer electrolyte. The porous electrodes 5 and 6 in the fuel cell are made of nickel.
Вес электрода топливного элемента определяет объем электрода и удельный вес материала электрода. Вес электрода равен 5,05 см×2,76 см×0,0035 см×8,9 г/см3=0,434 г. Вес пленки твердого полимерного электролита равенThe weight of the fuel cell electrode determines the volume of the electrode and the specific gravity of the electrode material. The weight of the electrode is 5.05 cm × 2.76 cm × 0.0035 cm × 8.9 g / cm 3 = 0.434 g. The weight of the film of solid polymer electrolyte is
5,05 см×2,76 см×0,01 см×1,15 г/см3=0.16 г. Вес топливного элемента с твердым полимерным электролитом равен (0,434 г×2)+0,16 г=1,028 г.5.05 cm × 2.76 cm × 0.01 cm × 1.15 g / cm 3 = 0.16 g. The weight of the fuel cell with a solid polymer electrolyte is (0.434 g × 2) +0.16 g = 1.028 g.
Вес прокладки 10 определяется объемом прокладки и удельным весом материала прокладки.The weight of the gasket 10 is determined by the volume of the gasket and the specific gravity of the gasket material.
Объем прокладки при толщине - 0,21 см, ширине - 0,3 см и длине ее сторон - 2,76 см и 5,05 см равен (2×2,76 см×0,21 см×0,3 см)+(2×5,05 см×0,3 см×0,2 см)=0,93 см3. Вес прокладки 10, изготовленной, например, из полистирола, равен: 0,93 см3×1,14 г/см3=1,06 г.The volume of the gasket with a thickness of 0.21 cm, a width of 0.3 cm and a length of its sides of 2.76 cm and 5.05 cm is (2 × 2.76 cm × 0.21 cm × 0.3 cm) + (2 × 5.05 cm × 0.3 cm × 0.2 cm) = 0.93 cm 3 . The weight of the strip 10, made, for example, of polystyrene, is: 0.93 cm 3 × 1.14 g / cm 3 = 1.06 g.
Вес батареи топливных элементов равен (2×1,028 г)+1,06 г=3,116 г. Таким образом единичная батарея топливных элементов, изготовленная заявленным способом, имеет следующие технические характеристики: мощность 0,1 Вт, напряжение 1,2 В, габаритные размеры: 5,05 см×2,76 см×0,24 см, объем 3,4 см3 и вес 3,116 г. Для сравнения приводим технические характеристики цилиндрического гальванического элемента типа 316: начальное напряжение 1,5 В, продолжительность работы не менее 48 часов, конечное напряжение 0,9 В, габаритные размеры: высота 5,05 см, диаметр 1,45 см, объем 8,3 см3, вес 20 г. Как видно, толщина, объем и вес единичной батареи топливных элементов, изготовленной заявленным способом, существенно меньше толщины (диаметра), объема и веса цилиндрической гальванической батарейки типа 316. Поэтому единичная батарея топливных элементов имеет более высокую удельную мощность и может быть использована в качестве источника питания в портативных электронных устройствах.The weight of the fuel cell battery is (2 × 1.028 g) +1.06 g = 3.116 g. Thus, a single fuel cell battery manufactured by the claimed method has the following technical characteristics: power 0.1 W, voltage 1.2 V, overall dimensions : 5.05 cm × 2.76 cm × 0.24 cm, volume 3.4 cm 3 and weight 3.116 g. For comparison, we present the technical characteristics of a cylindrical galvanic cell type 316: initial voltage 1.5 V, operating time at least 48 hours, final voltage 0.9 V, overall dimensions: height 5.05 cm, diameter 1.45 cm, volume 8.3 cm 3 , weight 20 d. As you can see, the thickness, volume and weight of a single fuel cell battery manufactured by the claimed method is significantly less than the thickness (diameter), volume and weight of a cylindrical galvanic battery of type 316. Therefore, a single fuel cell battery has a higher specific power and can be used in as a power source in portable electronic devices.
Пример 2. Изготавливают миниатюрную батарею топливных элементов по технологии примера 1, которая могла бы заменить плоскую гальваническую батарейку с габаритными размерами типа F - 25: длина - 22,6 мм, ширина - 22,6 мм, высота - 5,85 мм. Миниатюрная батарея топливных элементов включает два топливных элемента, у которых электроды имеют длину - 22,6 мм и ширину - 22,6 мм. При плотности генерирующего тока на электроде топливного элемента, равной 5 мА/см2 и поверхности электрода, равной 2,26 см×2,26 см величина тока, генерирующего топливным элементом, равна: (2,26 см×2,26 см)×5 мА/см2=25,53 мА. Напряжение топливного элемента с твердым полимерным электролитом, работающего на метаноле, равно 0,5 В. При последовательном соединении двух топливных элементов в батарее величина напряжения батареи равна сумме напряжений на каждом топливном элементе (0,5 В+0,5 В)=1,0 В. Тогда мощность батареи топливных элементов равна: 1,0 В×0,025А=0,025 Вт. Определяем объем метанола, необходимый для непрерывной работы батареи в течение 48 часов: (0,025 Вт×48 час):4,72 Вт-час/см3=0,254 см3. При использовании в качестве топлива 30% раствора метанола необходимо к 0,254 см3 метанола добавить 0,546 см3 воды. Поэтому необходимый объем 30% раствора метанола для непрерывной работы в течение 48 часов равен 0,951 см3. Соответственно, и объем камеры 4, предназначенной для топлива, равен 0,951 см3. Тогда толщина топливной камеры равна 0,951 см3: (2,26 см×2,26 см)=0,186 см. Принимаем толщину камеры 4 равной 0,2 см. Определяем толщину миниатюрной батареи топливных элементов, которая равна сумме толщин топливных элементов 2 и 3 и толщины камеры 4. Толщина топливного элемента равна сумме толщин электродов и толщине пленки полимерного электролита: (0,0025 см+0,0025 см+0,01 см)=0,015 см. Толщина батареи равна (0,015 см+0,015 см)+0,2 см=0,23 см или 2,3 мм. Таким образом, размеры миниатюрной батареи топливных элементов (равны 22,6×22,6×2,3 мм) существенно меньше чем размеры компактного источника питания на основе топливных элементов, разработанного фирмой Toshiba, который попал в «Книгу рекордов Гиннеса» в 2006 году как самый маленький источник питания на основе топливных элементов, размер которого равен 22×56×4,5 мм (http://Science.Compulenta.ru /1732267/). Как видно, толщина миниатюрной батареи топливных элементов, изготовленной заявленным способом, в два раза меньше чем толщина топливного элемента, занесенного в книгу рекордов Гиннеса. Миниатюрная батарея топливных элементов может быть использована в портативных электронных устройствах в качестве источника питания.Example 2. Make a miniature battery of fuel cells according to the technology of example 1, which could replace a flat galvanic battery with dimensions of type F - 25: length - 22.6 mm, width - 22.6 mm, height - 5.85 mm. The miniature fuel cell battery includes two fuel cells in which the electrodes have a length of 22.6 mm and a width of 22.6 mm. When the density of the generating current on the electrode of the fuel cell is 5 mA / cm 2 and the surface of the electrode is 2.26 cm × 2.26 cm, the value of the current generating the fuel cell is: (2.26 cm × 2.26 cm) × 5 mA / cm 2 = 25.53 mA. The voltage of a solid polymer electrolyte fuel cell operating on methanol is 0.5 V. When two fuel cells are connected in series in a battery, the battery voltage is equal to the sum of the voltages on each fuel cell (0.5 V + 0.5 V) = 1, 0 V. Then the power of the battery of fuel cells is equal to: 1.0 V × 0.025 A = 0.025 W. We determine the volume of methanol required for continuous operation of the battery for 48 hours: (0.025 W × 48 hours): 4.72 W-hour / cm 3 = 0.254 cm 3 . When using 30% methanol solution as fuel, it is necessary to add 0.546 cm 3 of water to 0.254 cm 3 of methanol. Therefore, the required volume of a 30% methanol solution for continuous operation for 48 hours is 0.951 cm 3 . Accordingly, the volume of the chamber 4 intended for fuel is 0.951 cm 3 . Then the thickness of the fuel chamber is 0.951 cm 3 : (2.26 cm × 2.26 cm) = 0.186 cm. We take the thickness of chamber 4 to be 0.2 cm. We determine the thickness of the miniature fuel cell battery, which is equal to the sum of the thicknesses of fuel cells 2 and 3 and the thickness of the chamber 4. The thickness of the fuel cell is equal to the sum of the thicknesses of the electrodes and the film thickness of the polymer electrolyte: (0.0025 cm + 0.0025 cm + 0.01 cm) = 0.015 cm. The thickness of the battery is (0.015 cm + 0.015 cm) +0 , 2 cm = 0.23 cm or 2.3 mm. Thus, the dimensions of the miniature fuel cell battery (equal to 22.6 × 22.6 × 2.3 mm) are significantly smaller than the dimensions of the compact power source based on fuel cells developed by Toshiba, which was included in the Guinness Book of Records in 2006 as the smallest power source based on fuel cells, the size of which is 22 × 56 × 4.5 mm (http://Science.Compulenta.ru / 1732267 /). As you can see, the thickness of the miniature fuel cell battery manufactured by the claimed method is two times less than the thickness of the fuel cell listed in the Guinness Book of Records. A miniature fuel cell battery can be used in portable electronic devices as a power source.
Пример 3. Изготавливаем зарядное устройство для мобильных телефонов мощностью 3 Вт и напряжением 5,5 В. Зарядное устройство включает определенное число единичных батарей топливных элементов, которые изготовлены по технологии примера 1 и имеют следующие характеристики: напряжение - 1,2 В, вес 3,116 г, объем 3,4 см, размеры: длина - 5,05 см, ширина - 2,76 см и толщина - 0,24 см. В качестве топлива применяют водный раствор метанола, а в качестве окислителя - кислород в составе воздуха. Число единичных батарей, которые нужно установить в последовательную электрическую цепь 14 фиг.2, чтобы напряжение зарядного устройства имело значение 5,5 В, равно 5,5 В:1,2 В=4,58. Поэтому в одном горизонтальном ряду 14 зарядного устройства устанавливаем пять единичных батарей топливных элементов. Изготавливают пластмассовые рамки 17 с пятью окнами 18, имеющие размеры 5,05×2,76×0,24 см, предназначенные для размещения единичных батарей. Устанавливают в окна рамки 17 пять единичных батарей и соединяют между собой последовательно. Получаем электрическую цепь с двумя выводными контактами 15 и 16. Число горизонтальных рядов 14 единичных батарей в зарядном устройстве определяется величиной тока, которую должно генерировать зарядное устройство, и величиной тока, которую может генерировать один горизонтальный ряд единичных батарей 14. Величина тока зарядного устройства мощностью 3 Вт и напряжением 5,5 В равна 3 Вт:5,5 В=0,545А. При последовательном соединении единичных батарей топливных элементов в ряд 14 величина тока в цепи равна величине тока в единичной батарее. При плотности генерируемого тока в батарее, равной 0,005А/см2, и генерируемой поверхности батареи, равной 5,05 см×2,76 см=13,93 см2, величина тока в последовательной цепи единичных батарей топливных элементов 14 равна 13,93 см2×0,005А/см2=0,0696А. Определяем число горизонтальных рядов единичных топливных элементов 14, которые должны быть в зарядном устройстве, чтобы при параллельном их соединении величина тока зарядного устройства была равна 0,545 А. Число рядов 14 равно 0,545 А:0,0696 А=7,8. Принимаем число рядов единичных батарей 14 в зарядном устройстве равным восьми. Для крепления единичных топливных батарей в зарядном устройстве изготавливают восемь пластмассовых рамок 17 с окнами 18. Окна 18 имеют форму и размеры, которые соответствуют форме и размерам единичной батареи топливных элементов. Окна 18 также имеют карманы 19 и 20 для размещения каналов 11 и 12, предназначенных для поступления топлива в батарею и отвода отработанных продуктов из нее. Рамки 17 имеют технологические пазы 21, предназначенные для проводников, последовательно соединяющих единичные батареи топливных элементов. Определяем длину рамки 17 из пять окон, если расстояние между окнами в рамке равно 0,25 см. Длина рамки равна (5×2,76 см)+(6×0,25 см)=15,46 см. Определяем ширину рамки 17, если расстояние от края рамки до окна 18 равно 0,3 см. Ширина рамки равна (0,3×2)+5,05 см=5,65 см. Толщина рамки равна толщине единичной батареи, которая равна 0,24 см. Изготавливаем восемь пластмассовых рамок из прочного полистирола размером 15,46 см×5,75 см×0,24 см, каждая из которых имеет по пять окон 18. Устанавливаем в окна пластмассовых рамок 14 единичные батареи топливных элементов. Соединяем восемь пластмассовых рамок 17 с помощью гибкой прорезиненной ткани 22. Получаем плоское зарядное устройство, в котором каждая единичная батарея топливных элементов с двух ее внешних сторон находится в контакте с кислородом в составе воздуха. Определяем вес зарядного устройства, который зависит от веса единичных батарей топливных элементов и веса пластмассовых рамок. Вес пластмассовой рамки зависит от объема материала рамки и его удельного веса. Объем материала рамки 17 зависит от площади материала рамки 17 и ее толщины. Объем материала в рамке 17 равен площади рамки за вычетом объема, который занимают в рамке пять окон 18. Площадь рамки равна (15,46 см×5,65 см)-5×(5,05 см×2,76 см)=17,6 см2. Объем материала рамки 17 равен 17,6 см2×0,244 см=4,2 см3. Вес рамки 17, изготовленной из полистирола, равен 4,2 см×1,14 г/см3=4,7 г. Вес зарядного устройства, состоящего из (5×8)=40 единичных батарей топливных элементов и 8 пластмассовых рамок, равен (40×3,116 г)+(8×4,7 г)=162 г. Определяем размеры зарядного устройства после укладки пластмассовых рамок 17 с единичными батареями топливных элементов в пакет 23. Длина пакета соответствует длине рамки 17 и равна 15,46 см, высота пакета соответствует высоте рамки 17 и равна 5,65 см, толщина пакета равна сумме толщин восьми рамок 17 и расстояний между ними в пакете. Расстояние между рамками в пакете при хранении зарядного устройства или его транспортировке равно 0,2 см. Толщина пакета равна (0,24 см×8)+(0,2 см×8)=3,52 см. Размер зарядного устройства, сложенного в пакет, равен 154,6 мм×56,5 мм×35,2 мм. Вес зарядного устройства равен 162 г. Кaк видно, изготовленное по заявленному способу зарядное устройство, предназначенное для мобильного телефона, портативно и мобильно и может работать длительное время в автономном режиме.Example 3. We make a charger for mobile phones with a power of 3 W and a voltage of 5.5 V. The charger includes a certain number of single fuel cell batteries, which are made according to the technology of example 1 and have the following characteristics: voltage - 1.2 V, weight 3.116 g , volume 3.4 cm, dimensions: length - 5.05 cm, width - 2.76 cm and thickness - 0.24 cm. An aqueous solution of methanol is used as fuel, and oxygen in the composition of air is used as an oxidizing agent. The number of single batteries that need to be installed in the
Пример 4. Изготавливаем зарядное устройство по технологии примера 3, которое предназначено для переносного компьютера, мощностью 12 Вт и напряжением 17 В. Зарядное устройство изготавливаем из единичных батарей топливных элементов, которые имеют следующие параметры: напряжение 1,2 В, размеры 5,05×2,76×0,24 см, плотность генерируемого тока 5 мА/см2, вес 3,11 г, объем 3,4 см3. Определяем число единичных батарей топливных элементов, которое необходимо установить в ряду 14 и соединить их последовательно, чтобы получить напряжение батареи топливных элементов, равное 17 В. Необходимое число единичных батарей в ряду 14 равно 17 В:1,2 В=14. Число единичных батарей топливных элементов, которые необходимо установить в ряду 14, равно четырнадцати. Определяем мощность электрической цепи из четырнадцати единичных батарей топливных элементов, соединенных между собой последовательно. При последовательном соединении единичных батарей мощность электрической цепи зависит от напряжения цепи и величины тока, генерируемого единичной батареей топливных элементов. Величина тока, генерируемая единичной батареей, зависит от величины ее поверхности и плотности генерируемого тока. Величина тока в последовательной цепи топливных элементов равна (5,05 см×2,76 см)×0,005А/см2=0,0696 А. Мощность электрической цепи из четырнадцати последовательно соединенных батарей топливных элементов равна 17 В×0,0696Example 4. We make a charger according to the technology of example 3, which is designed for a laptop computer with a power of 12 W and a voltage of 17 V. The charger is made from single batteries of fuel cells that have the following parameters: voltage 1.2 V, dimensions 5.05 × 2.76 × 0.24 cm, the density of the generated current 5 mA / cm 2 , weight 3.11 g, volume 3.4 cm 3 . We determine the number of single fuel cell batteries, which must be installed in
А=1,18 Вт. Число электрических цепей мощностью 1,18 Вт, необходимых для достижения мощности зарядного устройства, равного 12 Вт, равно 12 Вт:1,18 Вт=10,1. Принимаем число таких цепей в зарядном устройстве равным десяти. Определяем число единичных батарей в зарядном устройстве, оно равно 14×10=140. Для установки и крепления ста сорока единичных батарей в зарядном устройстве изготавливаем пластмассовые рамки 17, каждая из которых включает семь окон 18, а следовательно, предназначена для семи единичных батарей топливных элементов. Число рамок 17 в зарядном устройстве равно 140:7=20. Рамка 17 содержит семь окон 18, расстояние между окнами 18 равно 0,25 см. Длина рамки 17 равна (2,76 см×7)+(0,25 см×8)=21,32 см. Ширина рамки 17 равна высоте окна 18 и расстоянию от края окна до краев рамки, которое равно 0,35 см. Ширина рамки равна 5,05+(0,35×2)=5,75 см. Толщина рамки 17 равна толщине единичной батареи топливных элементов и равна 0,24 см. Пластмассовые рамки 17, после того как в окна 18 установлены единичные батареи топливных элементов и проведено последовательное соединение электрической цепи, а также соединены между собой каналы для поступления топлива в единичные батареи, соединяют между собой в единую конструкцию с помощью гибкой ткани 22. Двадцать пластмассовых рамок разделяют на десять пар. Единичные батареи в каждой паре рамок 17, каждая из которых содержит по семь единичных батарей, соединяют между собой последовательно. После чего десять пар рамок 17 соединяют между собой параллельно. В результате получают плоское зарядное устройство мощностью 12 Вт и напряжением 17 В, в котором все сто сорок единичных батарей расположены так, что электроды их топливных элементов, которые предназначены для восстановления окислителя, обращены к кислороду в составе воздуха. Затем плоское зарядное устройство (фиг.2) укладывают в пакет 26 (фиг.3).A = 1.18 watts. The number of electrical circuits with a power of 1.18 W required to achieve a charger power of 12 W is 12 W: 1.18 W = 10.1. We take the number of such circuits in the charger equal to ten. We determine the number of single batteries in the charger, it is 14 × 10 = 140. For the installation and fastening of one hundred and forty unit batteries in the charger, we produce
Определяем размеры зарядного устройства, сложенного в пакет 26. Длина пакета 26 равна длине рамки 17 с семью окнами 18, предназначенными для единичных батарей топливных элементов. При расстоянии между окнами 18 в рамке 17, равными 0,25 см, длина рамки 17 равна (7×2,76 см)+(8×0,25 см)=21,32 см. Определяем высоту пакета 26, она равна высоте окна 18, и расстояние от края окна 18 до края рамки 17, равное 0,35 см. Высота пакета 23 равна 5,05 см+(2×0,35 см)=5,75 см. Определяем толщину пакета 26 исходя из числа пластмассовых рамок в пакете. Расстояние между рамками в пакете равно 0,05 см. При толщине рамки, равной 0,24 см, и расстоянии между рамками 0,05 см толщина пакета 23 равна (20×0,24 см)+(18×0,1 см)=6,4 см. Размер зарядного устройства, собранного в пакет, равен 213,2×57,5×64 мм. Определяем вес зарядного устройства. Он равен весу ста сорока единичных батарей и весу двадцати пластмассовых рамок. Вес единичной батареи топливных элементов равен 3,11 г. Определяем вес пластмассовой рамки, содержащей семь окон размером 5,05 см×2,76 см×0,24 см. Определяем объем, занимаемый материалом рамки. Он равен объему рамки 17 за вычетом объема, предназначенного для семи окон 18. Объем материала рамки 17 равен (21,32 см×5,75 см×0,24 см)-(7×5,05 см×2,76 см×0,24 см)=6 см3. Вес материала рамки 17 равен 6 см3×1,1 г/см3=6,6 г. Вес зарядного устройства мощностью 12 Вт и 17 В равен (140×3,11 г)+(20×6,6 г)=567,4 г. Как видно, зарядное устройство, изготовленное предложенным способом, портативно и мобильно.We determine the dimensions of the charger, folded into a package 26. The length of the package 26 is equal to the length of the
Техническим результатом является уменьшение толщины и увеличение удельной мощности единичной батареи топливного элемента, что позволяет поместить батарею топливных элементов в корпус портативного электронного устройства и одновременно обеспечить пользователю такой же объем мощности, как и у обычной гальванической батарейки. Технология изготовления единичной батареи топливных элементов проста и может быть осуществлена на действующем оборудовании в массовом производстве. Кроме того, из определенного числа единичных батарей топливных элементов можно изготовить зарядное устройство, предназначенное для мобильного телефона и переносного компьютера. При этом получают такую конструкцию зарядного устройства, в котором все единичные батареи топливных элементов находятся в одной плоскости со свободным доступом воздуха с двух сторон каждой единичной батареи. Толщина плоского зарядного устройства не превышает 3 мм. Возможна укладка плоского зарядного устройства в мобильный пакет. Зарядное устройство на основе единичных батарей топливных элементов работает автономно и может быть использовано в районах, удаленных от централизованного энергоснабжения.The technical result is to reduce the thickness and increase the specific power of a single battery of a fuel cell, which allows you to place the battery of fuel cells in the housing of a portable electronic device and at the same time provide the user with the same amount of power as a conventional galvanic battery. The manufacturing technology of a single fuel cell battery is simple and can be implemented on existing equipment in mass production. In addition, from a certain number of single fuel cell batteries, a charger designed for a mobile phone and laptop computer can be made. At the same time, a charger design is obtained in which all single fuel cell batteries are in the same plane with free air access from both sides of each single battery. The thickness of the flat charger does not exceed 3 mm. It is possible to stack a flat charger in a mobile bag. A charger based on single fuel cell batteries works autonomously and can be used in areas remote from centralized power supply.
Для достижения указанного технического результата в соответствии с предложенным способом изготавливают новую конструкцию единичной батареи топливных элементов, которая состоит из двух топливных элементов, объединенных между собой общей камерой, предназначенной для метанола, а в качестве окислителя используют кислород в составе воздуха.To achieve the specified technical result, in accordance with the proposed method, a new design of a single fuel cell battery is made, which consists of two fuel cells interconnected by a common chamber designed for methanol, and oxygen is used as an oxidizing agent in the air.
Уменьшение толщины единичной батареи топливных элементов и увеличение удельной ее мощности обусловлено возможностью применения в новой конструкции батареи очень тонких топливных элементов, не превышающих 0,5 мм. (Такие тонкие топливные элементы можно изготовить в соответствии с патентами России (2) 2008 г. и (3) 2007 г.) Толщина же топливной камеры, которая объединяет два топливных элемента в новой конструкции батареи, не превышает 2 мм. Поэтому толщина батареи топливных элементов, изготовленной по заявленному способу, не превышает 3 мм. Это меньше чем толщина известных конструкций батарей топливных элементов, а также толщины гальванических батареек. Поэтому единичная батарея топливных элементов может быть размещена в корпусе портативных электронных устройств. В разработанной конструкции зарядного устройства на основе единичных батарей топливных элементов необходимое напряжение зарядного устройства создается при последовательном соединении определенного числа единичных батарей, расположенных в горизонтальном ряду. Необходимую мощность зарядного устройства создают путем параллельного соединения горизонтальных рядов единичных батарей топливных элементов. В результате получают плоскую конструкцию зарядного устройства толщиной, равной толщине единичной батареи. При этом все единичные батареи в зарядном устройстве с двух их сторон находятся в среде кислорода воздуха.The decrease in the thickness of a single fuel cell battery and the increase in its specific power is due to the possibility of using very thin fuel cells in the new battery design, not exceeding 0.5 mm. (Such thin fuel cells can be manufactured in accordance with Russian patents (2) 2008 and (3) 2007). The thickness of the fuel chamber, which combines two fuel cells in the new battery design, does not exceed 2 mm. Therefore, the thickness of the battery of fuel cells manufactured by the claimed method does not exceed 3 mm This is less than the thickness of known designs of fuel cell batteries, as well as the thickness of galvanic batteries. Therefore, a single battery of fuel cells can be placed in the housing of portable electronic devices. In the developed design of the charger based on single batteries of fuel cells, the required voltage of the charger is created by connecting in series a certain number of single batteries located in a horizontal row. The required power of the charger is created by parallel connection of horizontal rows of single fuel cell batteries. The result is a flat design charger with a thickness equal to the thickness of a single battery. Moreover, all single batteries in the charger on both sides are in the atmosphere of oxygen.
Единичные батареи топливных элементов устанавливают и закрепляют в окнах пластмассовых рамок. Число пластмассовых рамок равно числу горизонтальных рядов единичных батарей. Разрозненные пластмассовые рамки соединяют между собой гибкой тканью. Это позволяет плоское зарядное устройство сложить в компактный и мобильный пакет, который удобно использовать в походных условиях.Single fuel cell batteries are installed and secured in the windows of the plastic frames. The number of plastic frames is equal to the number of horizontal rows of single batteries. Scattered plastic frames are interconnected by a flexible cloth. This allows the flat charger to be folded into a compact and mobile package that is convenient to use when traveling.
Способ изготовления как единичной батареи топливного элемента, так и зарядного устройства на основе единичных батарей простой. Он не требует специального оборудования для своего осуществления и может быть реализован на действующем оборудовании.A method of manufacturing both a single fuel cell battery and a charger based on single batteries is simple. It does not require special equipment for its implementation and can be implemented on existing equipment.
Таким образом, предложенное решение обеспечивает получение технического результата: уменьшение толщины батареи топливных элементов, увеличение ее удельной мощности, упрощение технологии изготовления батареи топливных элементов, возможность осуществления массового производства единичных батарей. Кроме того, на основе определенного числа единичных батарей изготавливают плоское зарядное устройство для мобильных телефонов и переносных компьютеров, которое можно складывать в мобильный пакет и использовать в районах, где отсутствует централизованное электроснабжение.Thus, the proposed solution provides a technical result: reducing the thickness of the battery of fuel cells, increasing its specific power, simplifying the manufacturing technology of the battery of fuel cells, the possibility of mass production of single batteries. In addition, on the basis of a certain number of single batteries, a flat charger for mobile phones and laptop computers is made, which can be folded into a mobile bag and used in areas where there is no centralized power supply.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США 6531236 от 11.03.2003. Батарея топливных элементов с протонообменными мембранами.1. US patent 6531236 from 03/11/2003. Fuel cell battery with proton exchange membranes.
2. Патент России 2325012 от 20.05.2008. Способ изготовления миниатюрного топливного элемента с твердым полимерным электролитом.2. Patent of Russia 2325012 dated 05.20.2008. A method of manufacturing a miniature solid fuel cell with a solid polymer electrolyte.
3. Патент России 2333576 от 19.03.2008. Способ изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом.3. Patent of Russia 2333576 dated 03/19/2008. A method of manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell.
4. Патент JP 3272980 от 08.04.2002. Батарея топливных элементов.4. Patent JP 3272980 from 04/08/2002. Fuel cell battery.
5. Справочник по электрохимическим материалам. Том.1. М.: Энергия. 1974, стр.498.5. Handbook of electrochemical materials.
6. Неметаллические материалы. Справочник. М.: Машгиз, 1962, стр.175.6. Non-metallic materials. Directory. M .: Mashgiz, 1962, p. 175.
7. Неметаллические материалы. Справочник. М: Машгиз, 1962, стр.82.7. Non-metallic materials. Directory. M: Mashgiz, 1962, p. 82.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008151280/09A RU2387053C1 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008151280/09A RU2387053C1 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2387053C1 true RU2387053C1 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=46275343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008151280/09A RU2387053C1 (en) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2387053C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496186C1 (en) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fuel element and battery of fuel elements |
-
2008
- 2008-12-23 RU RU2008151280/09A patent/RU2387053C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496186C1 (en) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fuel element and battery of fuel elements |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101567477B (en) | Stack-layered magnesium-air batteries | |
| CN100517802C (en) | Wafer alkaline cell | |
| CN104584293A (en) | Flexible transparent air-metal batteries | |
| CN206148582U (en) | Frame and metal -air cell group for metal -air cell | |
| CN101432912A (en) | Hydrogen supply for micro fuel cells | |
| JP5344223B2 (en) | Fuel cell system and electronic device | |
| JP6001717B2 (en) | Fuel cell | |
| KR100843404B1 (en) | Hydrogen generator having a porous electrode plate | |
| RU2387053C1 (en) | Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte | |
| US20070077477A1 (en) | Fuel cell unit | |
| CN101692499B (en) | Rolled microbial fuel cell | |
| CN103268945A (en) | Bipolar electrode for flow battery and manufacturing process thereof | |
| CN105845943B (en) | A kind of aluminium-air cell | |
| CN107017411B (en) | Portable high-efficiency aluminum-oxygen power battery and manufacturing method thereof | |
| CN214147494U (en) | Multi-energy power supply magnesium air fuel battery lamp | |
| CN206040835U (en) | It is two according to applying different level with pressing battery | |
| CN207504127U (en) | A kind of three terminal field effect mode lead-acid accumulators | |
| EP3321990B1 (en) | Flow battery, process for its manufacture, and use thereof | |
| RU68187U1 (en) | PRIMARY ELECTRICAL ELEMENT | |
| JPS61279069A (en) | Constitution of fuel cell | |
| EP2907182A1 (en) | Oxygen plenum configurations of components in low cost planar rechargeable oxide-ion battery (rob) cells and stacks | |
| CN217062197U (en) | Sheet metal battery system | |
| CN210926168U (en) | Device structure of carbon fiber gel battery | |
| JP7138364B2 (en) | Flow battery, its manufacturing process, and its method of use | |
| CN204834768U (en) | Camera lithium battery electrodes structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111224 |