Газодиффузионный электрод, способ его изготовления, мембранно-электродный блок, содержащий газодиффузионный электрод, и способ изготовления мембранно-электродного блока, содержащего газодиффузионный электрод

Газодиффузионный электрод, способ его изготовления, мембранно-электродный блок, содержащий газодиффузионный электрод, и способ изготовления мембранно-электродного блока, содержащего газодиффузионный электрод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области газодиффузионных электродов, способу их изготовления, мембранно-электродным блокам, содержащим заявленные электроды, а также к способу производства мембранно-электродных блоков, содержащих заявленные электроды.

Уровень техники

В US №3,553,032 раскрыт способ изготовления электрода для топливного элемента, содержащего пористую связанную матрицу из частиц гидрофобного полимера с тонким серебряным покрытием, а также вкрапленные в матрицу частицы электропроводящего материала, сцепленные с указанной матрицей; причем указанный способ включает в себя приготовление смеси из гидрофобного полимера, частиц электропроводного материала и частиц карбоната серебра, формование указанной смеси под давлением для получения когерентной структуры и нагревание образовавшейся когерентной структуры при температуре выше температуры разложения указанного карбоната серебра, но ниже температуры размягчения указанного полимера. В результате образуется серебро и высвобождается газ двуокиси углерода, который диффундирует через указанную структуру, значительно увеличивая ее пористость. В US №3,553,032 не приведено использование другого связующего материала, альтернативного подверженным холодной агломерации фторированным смолам, например, политетрафторэтилен, фторированный этилен-пропилен, хлортрифторэтилены и поливинилиденфториды.

В GB 2,316,801А раскрыт электрокаталитический газодиффузионный электрод для топливных элементов, содержащий: анизотропный газодиффузионный слой, изготовленный из пористой углеродной матрицы, в которой диспергированы частицы углерода и поливинилиденфторида таким образом, что матрица получается равномерно пористой в поперечном к газовому потоку направлении и асимметрично пористой для газов в направлении газового потока, при этом пористость указанного газодиффузионного слоя уменьшается в направлении газового потока, а указанный газодиффузионный слой имеет толщину примерно от 50 мкм до 300 мкм; и каталитический слой, изготовленный из коагулированной «чернильной» взвеси, содержащей частицы каталитического углерода и термопластичный полимер, при этом каталитический слой покрывает небольшую часть поверхности указанного газодиффузионного слоя, а указанный каталитический слой имеет толщину примерно 7 мкм до 50 мкм, и металлический катализатор добавляют в количестве примерно от 0.1 мг/см² до 0.5 мг/см².

В EP 1 930 974 A1 раскрыты: 1. Способ изготовления обратимого твердо-оксидного элемента, согласно которому: наносят пленку анодного носителя на основу (1); наносят пленку анодного слоя на носитель (2); наносят пленку слоя электролита на носитель (3); и либо распределяют указанный анодный слой поверх слоя анодного носителя; удаляют указанный носитель (2) с указанного анодного слоя; распределяют указанный слой электролита поверх указанного анодного слоя; и спекают многослойную структуру; либо распределяют указанный анодный слой поверх указанного слоя электролита; удаляют носитель (2) с указанного анодного слоя; распределяют указанный слой анодного носителя поверх указанного анодного слоя; и спекают многослойную структуру.

В WO 03/082956 A1 раскрыт мембранно-электродный блок, содержащий: анод; катод; и протонообменную мембрану, расположенную между анодом и катодом, в котором по меньшей мере один из указанных компонентов (анод, катод и протонообменная мембрана) содержит сульфированный сополимер, имеющий следующую химическую структуру:

где значение n/n+m изменяется в диапазоне от, примерно, 0.001 до, примерно, 1; Y может обозначать -S-, S (О), S (O)₂, С (O), или P(O) (С₆Н₅), и их комбинацию; a Z может обозначать одинарную связь углерод-углерод, C (CH₃) 2, С (CF₃) 2, С (CF₃) (C₆H₅), C (O), S (O)₂, или Р (О) (C₆H₅).

В US 7,301,002 В1 раскрыт сульфированный полифениленовый полимер, полученный посредством контролируемого сульфирования полифениленового полимера сульфирующим агентом, при этом сульфированный полифениленовый полимер имеет повторяющиеся звенья следующей структуры 1:

в которой R₁, R₂ и R₃ являются одинаковыми или разными, а каждый R₁, R₂ и R₃ обозначает H или незамещенный или инертно замещенный ароматический фрагмент; в которой Ar₁ и Ar₂ являются одинаковыми или разными, а каждый Ar₁ и Ar₂ обозначает незамещенный ароматический фрагмент или инертно замещенный ароматический фрагмент; в которой боковая цепь сульфонильной группы присоединена к углеродному атому; в которой на одно повторяющееся звено приходится от одной до шести сульфонильных групп; при этом n≤.2; и любая комбинация R₁, R₂ и R₃ и Ar₁ и Ar₂ содержит под-комбинацию, выбранную из группы, состоящей из: а)R₁,отличен от R₂, b) R₁ отличен от R₃, с) R₂ отличен от R₃, d) Ar₁ отличен от Ar₂, и е) R₁.=R₂.=R₃=Ar₁=Ar₂.

В 2004 году в статье журнала Journal of Power Sources, 127, стр.234-242, Сифрейном и др. (М. Cifrain et al.) было отмечено, что известные своей высокой эффективностью щелочные топливные элементы (ЩТЭ) применяют только в космической технике вследствие их высокой стоимости, короткого срока службы и высокой чувствительности к воздействию углекислого газа; и что возможно создание малозатратных и невосприимчивых к CO₂ топливных элементов со сроками службы, позволяющими использовать топливные элементы для транспортных средств и резервных систем. Было указано, что ключевым является жидкий циркулирующий электролит, при использовании которого можно избежать множества проблем, присущих мембранным системам, например, регулирование воды и тепла. Кроме того, Сифрейном было указано, что стандартный электрод щелочного топливного элемента состоит из нескольких связанных политетрафторэтиленом слоев углеродной сажи, иногда также содержащих другие гидрофобные материалы типа твердого парафина или иных видов пластических масс, например, полиэтилена (ПЭ) или полисульфона (ПСУ), а также другие компоненты, такие как графит (для увеличения электропроводности), и порообразующие материалы (например, сахар); и что некоторые пористые политетрафторэтиленовые пленки прижимают со стороны газа, при этом электроды изготавливают с использованием процессов прокатки, прессования и спекания.

В 2009 году в статье журнала Journal of Power Sources, 187, стр.39-48, Ф. Бидо и др. (F. Bidault et al.) был проведен анализ газодиффузионных катодов для щелочных топливных элементов и сделан вывод о том, что общая характеристика и стабильность в основном определяется свойствами катода; в результате исследование сосредоточено на разработке катодов. Далее указано, что эксплуатационные характеристики и долговечность газодиффузионных электродов в значительной степени зависят от способа изготовления слоистых структур из углерода и политетрафторэтилена, и что выбор углеродного носителя и способа его обработки чрезвычайно важен с точки зрения конечной каталитической активности. Указано, что, в общем случае, электроды для щелочных топливных элементов состоят из нескольких слоев углеродной сажи, выполняющих различные функции; что в современных электродах наблюдается тенденция использовать катализаторы на углеродных носителях с большой поверхностью и политетрафторэтилены для получения требуемой трехфазной границы; и что при изготовлении электродов для щелочных топливных элементов используют способы прессования, прокатки, трафаретной печати и напыления.

В 2010 году в статье журнала Journal of Power Sources, 195, стр. 1271-1291, В. Небурчиловым и др. (V. Neburchilov et al.) был проведен анализ композиций, конструкций и способов изготовления воздушных катодов для щелочных цинк-воздушных топливных элементов. Указано, что наиболее перспективными композициями для воздушных электродов являются композиции, основанные на отдельных оксидах или их смесях, имеющих структуру шпинелей, перовскитов или типа пирохлора: MnO₂, Ag, Co₃O₄, La₂O₃, LaNiO₃, NiCo₂O₄, LaMnO₃, LaNiO₃ и т.д., что обеспечивает оптимальный баланс ORR активности и химической стабильности в щелочном электролите. Далее указано, что способы, использующие золь-гель процесс и обратные мицеллы, дают наиболее однородное распределение катализатора по углеродному носителю и наибольшую величину поверхности контакта катализатора. Далее описана конструкция воздушного катода, содержащая виды углеродной сажи, связующие реагенты, токовые коллекторы, тефлоновые мембраны, термическую обработку газодиффузионного слоя, и каталитические слои, оказывающие сильный эффект на эксплуатационные характеристики.

В WO 99/45604А раскрыт способ приготовления электродной пленки, согласно которому: (а) формируют смесь, содержащую либо анодный материал, либо активную катодную массу, полимер и растворитель; и (b) соединяют смесь с полимерным нерастворителем, чтобы удалить хотя бы часть растворителя из смеси для формирования электродной пленки - при этом в указанном источнике не приводится описание гидрофобного слоя.

В US 6,521,381 раскрыт способ изготовления конструкции электрода, согласно которому: (а) приготавливают пластину токового коллектора; (b) формируют смесь, содержащую протонпроводящий материал и частицы углерода; (с) наносят смесь на пластину токового коллектора и образуют пленку из смеси, при этом пленка имеет первую и вторую поверхности, и первая поверхность прикреплена к пластине; и затем (d) создают поток металлических атомов и накапливают атомы на второй поверхности пленки для формирования диспергированных металлических поликристаллов на второй поверхности пленки, при этом поток металлических атомов генерируют путем физического осаждения из газовой фазы, и указанное осаждение из газовой фазы проводят таким образом, чтобы сохранить физические характеристики металлических атомов во время генерирования потока и накапливания атомов на поверхности. Однако речь здесь идет о способах производства методом горячего прессования, и нет указания на инверсию фаз или использование методов нанесения покрытий.

В US 2002-0127474А раскрыта электрохимическая система, содержащая: электрохимический элемент, включающий в себя: (а) анод; (b) катод, и (с) избирательно протонпроводящую мембрану, расположенную между и связанную с указанными анодом и катодом. При этом указанная мембрана содержит: (а) гидрофобный матричный полимер и (b) гидрофильный неионный полимер, и указанные гидрофобный полимер и гидрофильный полимер вместе образуют избирательно протонпроводящую мембрану. В US 2002/0127474А1 приведены примеры использования методов инверсии фаз для получения асимметричной мембраны, которая с одной стороны содержит поры, селективно пропускающие протоны, и по меньшей мере частично блокирующие другие катионы, анионы и некоторые нейтральные молекулы.

В US №2004/0028875А1 раскрыт способ изготовления продукта с микро- и наноразмерной структурой, с использованием формы, имеющей соответствующую структуру на поверхности, в котором жидкую среду, содержащую отливаемый материал, приводят в контакт с указанной поверхностью формы; при этом указанный способ характеризуется тем, что жидкую среду подвергают обработке так, чтобы вызвать разделение фаз, и чтобы указанный отливаемый материал по меньшей мере частично затвердел на поверхности формы; а также тем, что получающийся продукт отделяют от поверхности формы.

В US 2009/0226636А1 раскрыт процесс изготовления электродной пластины для литиевого электрохимического элемента, согласно которому: а) смешивают полиэфирный полимер или сополимер, растворимый в воде по меньшей мере одну литиевую соль, по меньшей мере одно электрохимически активное вещество, воду и смешиваемый с водой органический растворитель в пропорции вода/органический растворитель максимум до 50% объема, чтобы получить водный раствор/суспензию, содержащий(ую) по меньшей мере 20 вес.% активной массы электрода, по меньшей мере 5 вес.% полиэфирного полимера или сополимера и по меньшей мере 1.5 вес.% литиевой соли; b) наносят водной(ую) раствор/суспензию в виде тонкой пленки на электродную основу; и с) высушивают тонкую пленку для получения тонкопленочной электродной пластины, с содержанием остаточной воды менее 1000 ppm. Нанесение покрытия проводят на токовом коллекторе, а инверсия фаз реализуется для удаления растворителя при высушивании.

В WO 2006/015462А раскрыт процесс приготовления ионопроницаемой мембраны сепаратора, армированной посредством сетки, согласно которому: обеспечивают сетку (2A) и подходящую пасту (5), устанавливают указанную сетку (2A) в вертикальное положение, равномерно наносят указанную пасту на обе стороны указанной сетки для получения сетки с вмазанной пастой (2B), и осуществляют стадию симметричного формирования пор и стадию симметричной коагуляции для указанной сетки так, чтобы получилась мембрана сепаратора, армированная сеткой. В WO 2006/015462A раскрыты покрытия, армированные на полимерной сетке. Предложено их применение в электролизе щелочной воды, в аккумуляторных батареях (кислотных и щелочных), топливных элементах и в различных комбинациях указанного применения.

Широкое применение топливных элементов сдерживается высокой стоимостью газодиффузионных электродов и необходимостью обеспечения баланса свойств для эффективного функционирования элементов в течение долгого срока службы, например, в случае щелочных топливных элементов сдерживающим фактором являются их габаритные характеристики, определяемые используемыми способами производства, и невозможность приспособления обычных способов их изготовления к условиям непрерывных производственных линий.

Таким образом, существует необходимость разработать совершенно иной подход к производству газодиффузионных электродов для топливных элементов, при этом сохраняя баланс свойств, необходимых для эффективной длительной эксплуатации топливных элементов.

Раскрытие изобретения

Известные из уровня техники газодиффузионные электроды изготавливают с использованием технологий прокатки для получения требуемой смеси гидрофобных и гидрофильных пор в электропроводящей матрице в результате диспергирования электропроводящих компонентов, например, частиц углерода, графита или металла в присутствии катализатора, необходимого для эффективной длительной работы топливного элемента. Из уровня техники известно использование в многослойных электродах политетрафторэтилена (ПТФЭ) или сополимеров перфорированного этилен пропилена (ФЭП) и в качестве гидрофобного компонента для получения гидрофобных каналов, и в качестве связующего для переноса газа. Хотя ПТФЭ нерастворим, он подвержен ползучести при температуре перехода близкой к комнатной и, следовательно, его можно подвергать формованию в условиях холодной прокатки, «связывая» многослойные газодиффузионные электроды. Таким образом, ПТФЭ присутствует в электродах в виде полученной холодной агломерацией (спеканием) (cold-sintered) сплошной структуры. Кроме того, известные газодиффузионные электроды, описанные в GB 2,316,801 A, EP 1 930 974А и WO 02/082956 A1, непригодны для использования в гальванических элементах, таких как топливный элемент или батарея, в которых реагенты представляют собой газообразные вещества, а электролит находится в водном растворе, поскольку в них отсутствует гидрофобный слой.

Неожиданно обнаружилось, что присутствие гидрофобных частиц, таких как частицы ПТФЭ,, в мембране, полученной методом инверсии фаз растворимых полимеров, например полисульфона, позволяет получить гидрофобные каналы, необходимые для многослойных газодиффузионных электродов, и избежать утечки электролита, не прибегая к холодной агломерации ПТФЭ частиц, т.е., получить электрод, в котором ПТФЭ не является связующим веществом. Производство многослойных газодиффузионных электродов посредством стандартных методов заливки с последующей инверсией фазы [т.е. удаления растворителя (по меньшей мере одного), например, путем испарения растворителя или погружением в нерастворитель или в смесь нерастворителя (по меньшей мере одного) и растворителя (по меньшей мере одного)] является фундаментальным технологическим прорывом, который позволяет отказаться от ранее применяемых кустарных методов производства, способствует значительному снижению затрат, усовершенствованию управления параметрами производства, и решает присущие известным способам производства проблемы с габаритными размерами. Хотя известны методы инверсии фаз для получения слоев в электродах, заявителю не известно применение этих методов к производству именно газодиффузионных электродов. Кроме того, технологии заливки особенно хорошо зарекомендовали себя в непрерывном и автоматизированном крупномасштабном производстве, при сопутствующем гигантском сокращении издержек производства на квадратный метр. В сравнении с ПТФЭ газодиффузионными электродами, полученными холодной агломерацией (т.е. путем холодной прокатки или каландрирования), габаритные размеры отлитых электродов практически ничем не ограничены. Кроме того, по воспроизводимости результатов и однородности отлитые электроды значительно превосходят ПТФЭ электроды, которые изготавливают партиями.

Цель настоящего изобретения - разработка подхода, существенно отличающегося от уровня техники, к изготовлению газодиффузионных электродов для электрохимических элементов при сохранении необходимого баланса свойств для их эффективного длительного функционирования в электрохимических элементах.

Преимуществом изобретения является то, что газодиффузионные электроды, используемые в жидком электролите, больше не связаны технологическими ограничениями известного уровня техники.

Следующим преимуществом изобретения является значительное уменьшение технологической сложности при изготовлении газодиффузионных электродов и, следовательно, сокращение затрат.

Еще одним преимуществом изобретения является использование методов заливки, которые зарекомендовали себя в крупномасштабном производстве непрерывного цикла.

Еще одним преимуществом изобретения является возможность экологически ответственной утилизации газодиффузионных электродов посредством растворения их в органических растворителях, при котором не выделяются агрессивные и токсичные фтороводородные соединения, вырабатываемые при сжигании известных из уровня техники электродов.

Еще одним преимуществом изобретения является возможность отливки мембранно-электродных блоков за один проход.

В соответствии с первым аспектом изобретения, способ изготовления газодиффузионного электрода содержит следующие стадии:

обеспечивают первый слой, представляющий собой электрохимически активный слой, посредством заливки пористой электропроводящей сетки суспензией частиц электропроводящего материала в растворе первого связующего вещества;

обеспечивают второй слой посредством заливки указанного первого слоя суспензией частиц гидрофобного материала в растворе второго связующего вещества и

обеспечивают гидрофобный газодиффузионный слой посредством инверсии фаз указанных первого и второго слоев, посредством которой формируют пористость в обоих первом и втором слоях.

Газ диффундирует через гидрофобный слой к активному слою, в котором газ и жидкий электролит взаимодействуют друг с другом.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается газодиффузионный электрод, полученный указанным выше способом изготовления.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения реализовано применение указанного выше газодиффузионного электрода в мембранно-электродном блоке.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения реализован мембранно-электродный блок, содержащий вышеуказанный газодиффузионный электрод.

В соответствии с пятым аспектом изобретения реализован способ изготовления мембранно-электродного блока, в котором указанный мембранно-электродный блок содержит мембрану, расположенную между двумя электродами, при этом по меньшей мере один электрод представляет собой газодиффузионный электрод, а указанный способ содержит стадию заливки указанного мембранно-электродного блока за один проход, и указанный способ предпочтительно содержит по меньшей мере одну стадию инверсии фазы.

В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения мембранно-электродный блок получают вышеуказанным способом.

В соответствии с седьмым аспектом настоящего изобретения реализован водоотталкивающий (гидрофобный газодиффузионный) слой, получаемый способом, который содержит инверсию фазы слоя, содержащего второе связующее вещество и гидрофобные частицы.

В соответствии с восьмым аспектом предлагаемого изобретения

Несмотря на то, что в данной сфере наблюдается постоянное улучшение, изменение и развитие устройств, предполагается, что заявляемые изобретения представляют собой существенно новые не известные из уровня техники усовершенствования; в результате предлагаются более эффективные, стабильные и надежные устройства соответствующего назначения.

Перечисленные выше, а также и иные характеристики, признаки и преимущества заявленного изобретения будут более ясны из приведенного далее подробного описания, которое следует толковать в совокупности с сопровождающими описание чертежами, на примерах иллюстрирующими принципы изобретения. Описание приведено только ради примера и не призвано ограничить объем притязаний изобретения. Указанные ниже обозначения соответствуют обозначением, приведенным на чертежах.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой внутреннюю структуру активного слоя (АС).

Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий относительный объем пор (RPV) в процентах в зависимости от диаметра пор (PD) в микронах для активного слоя (АС).

Фиг.3 представляет собой микрофотографию, полученную посредством сканирующей электронной микроскопии и иллюстрирующую внутреннюю структуру гидрофобного слоя (ГФС).

Фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий относительный объем пор (RPV) в процентах в зависимости от диаметра пор (PD) в микронах для гидрофобного слоя (ГФС).

Фиг.5 представляет собой поляризационные характеристики для реакции восстановления кислорода в катодном полуэлементе в условиях работы микробного топливного элемента с газодиффузионным электродом 10/V021 с ГФС, который содержит 75 вес.% ФЭП /25 вес.% полисульфона и электролита с составом фосфатно-солевой буферный раствор ФСБР + ацетат + бактерии.

Фиг.6 представляет собой график плотности тока в зависимости от времени в катодном полуэлементе после приложения напряжения в -100 мВ на газодиффузионный электрод 10/V021 с ГФС, состоящем из 75 вес.% ФЭП /25 вес.% полисульфона и электролита с составом фосфатно-солевой буферный раствор ФСБР + ацетат + бактерии.

Фиг.7 представляет собой график плотности тока в зависимости от времени в катодном полуэлементе после приложения напряжения в -100 мВ на газодиффузионный электрод 10/V040 с ГФС, который состоит из 75 вес.% ФЭП /25 вес.% полисульфона и электролита с составом фосфатно-солевой буферный раствор ФСБР + ацетат.

Фиг.8 представляет собой поляризационные характеристики для реакции восстановления кислорода в катодном полуэлементе для газодиффузионного электрода 10/V001 с ГФС, который содержит чистый полисульфон (т.е. без гидрофобных частиц) и электролит из фосфатно-солевого буферного раствора ФСБР.

Фиг.9 представляет собой поляризационные характеристики в катодном полуэлементе в условиях работы микробного топливного элемента с газодиффузионным электродом 09/V093 без ГФС и с электролитом с составом фосфатно-солевой буферный раствор ФСБР + ацетат + бактерии.

Фиг.10 представляет собой схематическое изображение многослойного газодиффузионного электрода в соответствии с предлагаемым изобретением, где (1) - сетка из нержавеющей стали (токовый коллектор), (2) - активный слой (АС); и(3) - гидрофобный слой (ГФС).

Фиг.11 представляет собой схематическое изображение (вид сбоку) катодного полуэлемента, используемого для получения характеристик электродов, где (4) - газодиффузионный электрод, (5) - ионопроницаемая мембрана, (6) - рециркуляция электролита (МТЭ среда), 20 mL/min; (7) - подача сжатого воздуха при избыточном давлении 5 mbarg, (8) - платиновый (Pt) диск на (9) титановой пластине (противоэлектрод); (10) - зондовый электрод сравнения Ag/AgCl, 3М KCl; (11) - газовая камера (корпус из поливинилиденфторида ПВДФ); и (12) - электролитная камера (ПВДФ корпус).

На разных фигурах одни и те же или аналогичные элементы обозначены одинаково.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов его реализации и со ссылкой на определенные чертежи, но объем изобретения ограничивается не описанием и чертежами, а только формулой изобретения. Приведенные чертежи являются схематичными, и их не следует толковать ограничительно. На чертежах для наглядности некоторые конструктивные элементы могут быть показаны с преувеличением размеров, а не вычерчены в масштабе. Такие размеры и их соотношения не соответствуют вариантам реального осуществления изобретения на практике.

Кроме того, термины первый, второй, третий и тому подобные перечисления в описании и пунктах формулы использованы для проведения различия между подобными элементами и не обязательно относятся к описанию последовательности во времени, в пространстве, в порядке ранжирования либо в иной манере. Следует понимать, что таким образом используемые термины при соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что описываемое изобретение может функционировать при других последовательностях, которые отличаются от последовательностей, описываемых или проиллюстрированных в заявке.

Следует также добавить, что термины сверху, снизу, над, под и тому подобные определения ориентации использованы в описательных целях и не обязательно определяют относительное расположение. Следует понимать, что таким образом используемые термины при соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что описываемое изобретение может функционировать и при других ориентациях, которые отличаются от ориентации, описываемых или проиллюстрированных в заявке.

Отметим, что используемый в формуле изобретения термин «содержащий» не следует толковать ограничительно как охватывающий только лишь перечисленные далее средства; он не исключает другие элементы или стадии. Таким образом, его следует толковать как термин, определяющий присутствие изложенных признаков, совокупностей, стадий или компонентов так, как изложено, но при этом не исключая присутствие или добавление одного или нескольких других признаков, совокупностей, стадий или компонентов, или их групп. Так, толкование выражения «устройство, содержащее средства A и B» не должно быть ограничено устройствами, состоящими только из компонентов A и B. Оно означает, что в отношении настоящего изобретения существенными компонентами устройства являются компоненты A и B.

Аналогичным образом стоит отметить, что используемый в формуле изобретения термин «связанный» не следует толковать в смысле только лишь непосредственных связей. Могут использоваться термины «связанный» и «соединенный», наряду с производными формами. Следует понимать, что указанные термины не являются синонимами. Так, смысловой охват выражения «устройство A связано с устройством B» не должен быть ограничен устройствами или системами, в которых выход устройства A напрямую связан с входом устройства B. Это выражение должно означать, что существует некий путь между выходом A и входом B, который может включать в себя другие устройства или средства. «Соединенный» может означать, что два элемента или несколько элементов либо находятся в непосредственном физическом или электрическом контакте друг с другом, либо что два элемента или несколько элементов не находятся в непосредственном контакте друг с другом, но все равно совместно функционируют или взаимодействуют друг с другом.

Используемое в данном описании упоминание «один вариант» или «вариант» реализации изобретения означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описываемый(ая) в связи с таким вариантом изобретения входит по меньшей мере в один из вариантов реализации предлагаемого изобретения. Так, при появлении фраз «в одном варианте» или «в варианте» реализации изобретения в различных местах представленного описания, не обязательно имеется в виду один и тот же вариант реализации изобретения, хотя может быть и один и тот же. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут соответствующим образом сочетаться в одном или нескольких вариантах, что должно быть понятно специалисту из описания изобретения.

Точно так же следует понимать, что в описании примеров реализации изобретения различные признаки иногда сгруппированы в один вариант изобретения, фигуру чертежа или их описание с целью оптимального раскрытия сути изобретения и для более полного понимания нескольких или одного из различных аспектов изобретения. Такой способ раскрытия изобретения, тем не менее, не должен быть истолкован как отражающий замысел, в котором заявленное изобретение нуждается в большем количестве признаков, чем явно изложено в каждом пункте формулы. Скорее, как будет показано в приведенной далее формуле изобретения, аспекты изобретения заключены не во всех, а в меньшем количестве указанных ранее признаков одного варианта изобретения. Таким образом, формула изобретения, изложенная после подробного описания изобретения, тем самым четко встроена в это подробное описание, при этом каждый пункт формулы сам по себе является отдельным вариантом реализации изобретения.

Кроме того, хотя некоторые приведенные в описании варианты изобретения включают одни и не включают другие признаки, включенные в другие варианты изобретения, допускается, что совокупности признаков разных вариантов реализации изобретения входят в объем притязаний заявляемого изобретения и образуют другие варианты реализации изобретения, что должно быть понятно специалисту в соответствующей области техники. Например, в приведенной далее формуле изобретения любые из заявленных вариантов изобретения можно использовать в любой совокупности.

В представленном далее описании изложены различные конкретные подробности изобретения. Однако следует понимать, что варианты изобретения могут быть реализованы и без этих конкретных подробностей. В других примерах подробности хорошо известных способов, структур и методик не приводятся, чтобы не препятствовать пониманию описания изобретения.

Поясняемые далее термины приведены исключительно с целью облегчения понимания изобретения.

Определения

Газодиффузионный электрод в контексте раскрываемого изобретения представляет собой электрод, позволяющий реализовать область контакта между твердой, жидкой и газовой фазами, в котором электропроводный катализатор способствует протеканию электрохимической реакции между жидкой и газовой фазами, и который обычно содержит токовый коллектор, (пористую электропроводную сетку), электрохимически активный слой (AL), в котором протекает электрохимическая реакция, имеющий высокую электропроводность и проницаемость пор для газа и электролита, и имеющий область контакта с электролитом на одной поверхности и водоотталкивающий (гидрофобный газодиффузионный) слой (ГФС) на другой поверхности. Гидрофобный слой (ГФС) своей внешней поверхностью находится в контакте с газом, при этом поры проницаемы для газа, с возможностью препятствовать утечке электролита на внешней поверхности газодиффузионного слоя.

Термин «мембранно-электродный блок» в контексте раскрываемого изобретения означает мембрану, расположенную между двумя электродами, при этом термин охватывает топливные элементы, батареи и их гибридные конструкции.

Термин «связующее вещество» в контексте раскрываемого изобретения означает смолистый или полимерный материал, который придает механическую прочность слою, в котором находится, т.е. буквально «связывает» (скрепляет) этот слой, при этом этот термин не означает просто полимер, частицы которого находятся в слое в виде суспензии.

Термин «батарея» в контексте раскрываемого изобретения означает электрохимическое устройство, которое позволяет протекать реакциям на аноде и катоде, при этом топливо содержится внутри корпуса батареи или представляет собой атмосферный воздух. Таким образом определенный термин «батарея» также включает в себя воздушно-металлические элементы, в которых металл окисляется до ионов в растворе на аноде, а воздух из атмосферы окисляется до гидроксильных ионов.

Термин «топливный элемент» в контексте раскрываемого изобретения означает электрохимический элемент, который преобразует топливо, подаваемое от внешнего источника вне корпуса элемента, в электрический ток. Он генерирует электричество внутри элемента путем окислительной реакции на аноде и восстановительной реакции на катоде, при этом во время окисления высвобождаются электроны, которые перемещаются к катоду по внешней цепи, выполняя электрическую работу. Цепь подзаряжают перемещением компенсационного заряда через электролит, например, в виде положительных ионов. Топливные элементы выполнены из трех секций, расположенных слоями: анод, электролит и катод.

Термин «биологический топливный элемент (биотопливный элемент)» в контексте раскрываемого изобретения означает устройство, способное непосредственно преобразовывать энергию химического реактива в электрическую энергию посредством электрохимических реакций, в том числе и биохимическими путями. В биотопливных элементах используют биокатализаторы, которые включают в себя ферментные и неферментные белки, например микробы.

При приготовлении мембран используют инверсию фаз, которая заключается в фазовом разделении полимерных растворов для формования пористых полимерных пленок. Известно три основных способа инициирования необходимого расслоения при фазовом разделении: изменение температуры на границе полимерного раствора, благодаря чему происходит теплообмен и инициируется расслоение (так называемый теплового разделения фаз TIPS); воздействие на первоначальный раствор с помощью реакции, вызывающей фазовое разделение (так называемый способ реакционного разделения фаз RIPS); и добавление в полимерный раствор пара или жидкости, при котором получается диффузионный массообмен, вызывающий локальное изменение состава полимерной пленки и расслоение (так называемый способ диффузионный способ разделения фаз DIPS). Разработано три типа методик для реализации способа DIPS: коагуляция путем абсорбции нерастворителя из паровой фазы, испарение растворителя и погружение в ванну, содержащую нерастворитель. Осаждение погружением осуществляют путем диффузии нерастворителя из коагуляционной ванны в полимерную пленку и диффузии растворителя из полимерного раствора в ванну с нерастворителем.

Термин «частица» в контексте раскрываемого изобретения охватывает различные формы и включает в себя волокна, трубки, агломераты, круглые образования и т.д.

Аббревиатура ПТФЭ в контексте настоящей заявки означает политетрафторэтилен, также известный как политетрафторетен.

Аббревиатура ФЭП в контексте раскрываемого в заявке изобретения означает сополимеры перфторированного этилен-пропилена, также известные как перфорированные этан-пропеновые сополимеры.

Аббревиатуры ПСФ и ПСУ в контексте раскрываемого в заявке изобретения означают полисульфон.

Далее изобретение будет подробно описано в нескольких вариантах его реализации. Ясно, что и другие варианты изобретения могут быть реализованы, основываясь на знании специалиста в соответствующей области техники, не выходя при этом за пределы притязаний, соответствующих сути и содержанию изобретения, при этом объем притязаний ограничивается только формулировками прилагаемой формулы изобретен