Реверсируемый топливный элемент и батарея реверсируемых топливных элементов

Реверсируемый топливный элемент и батарея реверсируемых топливных элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к обратимому (реверсируемому) топливному элементу, способному запасать электрическую энергию во время своей зарядки в виде химической энергии и использовать запасенную химическую энергию путем обратного превращения ее в электрическую энергию. Настоящее изобретение также относится к батарее обратимых топливных элементов, модулю обратимых топливных элементов и банку обратимых топливных элементов, каждый из которых включает обратимый топливный элемент.

Предшествующий уровень техники

Аккумуляторные батареи и топливные элементы представляют собой высокоэффективные, экологически чистые источники энергии. В последние годы электромобили, автомобили на топливных элементах и поезда, оснащенные такими аккумуляторными батареями и топливными элементами в качестве источников питания, стали разрабатываться в мире повсеместно.

Было уделено внимание топливному элементу как источнику питания, имеющему высокий коэффициент преобразования энергии и небольшую нагрузку на окружающую среду. Топливный элемент не способен накапливать электрическую энергию. Однако можно построить определенную систему накопления энергии путем объединения топливного элемента, например, с устройством для получения водорода для того, чтобы получать водород при помощи электролиза воды. Такая система аккумулирования энергии называется обратимым топливным элементом (см. Патентные источники 1 и 2). Обратимый топливный элемент, построеный путем объединения топливного элемента с электролизером для разложения воды, производит электролиз воды, который представляет собой реакцию обратную по отношению к процессу выработки электроэнергии путем использования природной энергии или электрической энергии в ночное время, когда обратимый топливный элемент не вырабатывает электроэнергию. Таким образом, такая система выработки электроэнергии производит топливо для собственного применения.

С другой стороны, аккумуляторная батарея была использована в качестве источника питания для электрического или электронного устройства, требующего большого разрядного тока, например, электрического инструмента. В последние годы внимание особенно уделялось никель-металл-гидридной аккумуляторной батарее и литий-ионной аккумуляторной батарее в качестве батареи для гибридного транспортного средства с приводом от двигателя и данной батареи.

Типичная аккумуляторная батарея заряжается электрической энергией, тем самым запасая эту электроэнергию. Патентный источник 3 раскрывает аккумуляторную батарею, которая представляет собой перезаряжаемый гальванический элемент газовой деполяризации. Кроме того, Патентный источник 4 раскрывает новый тип топливного элемента, который представляет собой сочетание топливного элемента и аккумуляторной батареи и содержит гидроксид марганца в качестве активного материала положительного электрода и сплав-накопитель водорода в качестве активного материала отрицательного электрода.

Перечень ссылок

Патентная литература

Патентный источник 1: JP 2002-348694 А

Патентный источник 2: JP 2005-65398 А

Патентный источник 3: JP 2010-15729 А

Патентный источник 4: JP 2010-15783 А

Краткое описание изобретения

Техническая проблема

Аккумуляторная батарея способна запасать электроэнергию. Однако количество активного материала отрицательного и положительного электродов зависит от объема батареи. Таким образом, электрическая мощность батареи ограничена. Кроме того, трудно значительно повысить плотность энергии аккумуляторной батареи.

С другой стороны, топливный элемент вырабатывает электрическую энергию (разряжается), используя газообразный водород или газообразный кислород, подаваемые извне. Таким образом, в отличие от аккумуляторной батареи топливный элемент не имеет никаких проблем, касающихся ограничения плотности энергии. При использовании топливного элемента, как правило, существует необходимость в том, чтобы снабдить его устройствами или деталями для подачи газообразного водорода и газообразного кислорода к электродному отсеку. Кроме того, топливный элемент уступает аккумуляторной батарее в способности изменения нагрузки по заданному графику. Таким образом, топливный элемент трудно использовать исключительно в качестве источника питания для устройства, требующего большого изменения нагрузки, например, такого как транспортное средство.

Кроме того, газ, вырабатывающийся с помощью устройства для получения водорода (см., например, Патентный источник 1), является гремучим газом, в котором соотношение между водородом и кислородом составляет 2:1. Таким образом, существует необходимость обеспечения безопасности в работе с ним и обращения с осторожностью.

«Батарея топливных элементов», описанная в Патентном источнике 4, содержит гидроксид марганца в качестве активного материала положительного электрода. Поэтому при повторении ее зарядки и разрядки образуется тетраоксид тримарганца, который не участвует в реакциях зарядки и разрядки. Поэтому проблема этого топливного элемента состоит в малом сроке службы.

Батарея марганцево-цинковых первичных элементов была широко известна как батарея на основе водного раствора, включающая положительный электрод, изготовленный из диоксида марганца. Батарея марганцево-цинковых элементов используется исключительно в качестве батареи первичных элементов и не применяется как аккумуляторная батарея. Причины для этого приведены ниже. В положительном электроде марганцевой батареи в процессе разрядки диоксид марганца MnO₂ превращается в оксигидроксид марганца MnOOH, а затем превращается в гидроксид марганца Mn(ОН)₂. При этом продолжение разрядки до образования гидроксида марганца является неблагоприятным, поскольку при этом образуется тетраоксид тримарганца Mn₃O₄, который ингибирует перезарядку положительного электрода. Другими словами, проблема состоит в том, что на положительном электроде образуется неизменяющееся вещество, т.е. тетраоксид тримарганца накапливается при повторении разрядки (оксигидроксид марганца → гидроксид марганца) и зарядки (гидроксид марганца → оксигидроксид марганца).

Тримарганца тетраоксид обладает свойством низкой электропроводности. Низкая электропроводность вызывает следующие недостатки. Прежде всего, удовлетворительно заряжать батарею становится трудно, поскольку зарядка занимает много времени. Кроме того, у батареи, которая имеет низкую электропроводность, также ухудшается эффективность зарядки. Соответственно, когда тетраоксид тримарганца накапливается, у топливного элемента ухудшается производительность, и в итоге он становится непригодным для использования. По этим причинам диоксид марганца используется исключительно для батареи первичных элементов, но на данный момент не применяется в качестве активного материала положительного электрода для аккумуляторной батареи.

Настоящее изобретение было разработано с учетом аспектов, описанных выше, и его цель состоит в обеспечении обратимого топливного элемента, который обладает высокой плотностью энергии, превосходен по способности изменения нагрузки в соответствии с заданным графиком, а также имеет отличные характеристики срока службы.

Решение проблемы

Для решения проблем, описанных выше, авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования и завершили их созданием обратимого топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Обратимый топливный элемент по настоящему изобретению (который ниже упоминается как топливный элемент) включает положительный электрод, содержащий диоксид марганца, отрицательный электрод, содержащий материал-накопитель водорода; сепаратор, расположенный между положительным и отрицательным электродами; кислородную накопительную камеру и водородную накопительную камеру для накопления независимо друг от друга водорода, образующегося на положительном электроде, и кислорода, образующегося на отрицательном электроде; и электролит. В этом топливном элементе кислородная накопительная камера заполняется электролитом, в котором кислород растворяется.

В этом топливном элементе реакции разрядки отрицательных и положительных электродов могут быть представлены уравнениями (1) и (3) соответственно, а реакции зарядки отрицательных и положительных электродов могут быть представлены с помощью уравнений (2) и (4), соответственно.

В уравнениях (1) и (2), М представляет собой материал-накопитель водорода.

Как показано в уравнениях (2) и (4), каждое из которых представляет процесс зарядки этого топливного элемента, отрицательный и положительный электроды химически заряжаются с участием водорода и кислорода, соответственно.

Как показано в уравненях реакции (3) и (4), активный материал положительного электрода попеременно то образует диоксид марганца, то превращается в оксигидроксид марганца в процессе зарядки и разрядки.

Продолжение разрядки до того момента, когда диоксид марганца превратится в гидроксид марганца является неблагоприятным, поскольку при этом образуется тетраоксид тримарганца. Поэтому авторы настоящего изобретения приняли во внимание нижеследущее. А именно, если разрядку не продолжать до тех пор, пока диоксид марганца перейдет в гидроксид марганца, то тетраоксид тримарганца не образуется, поэтому положительный электрод не разрушается. Более того, авторы настоящего изобретения продемонстрировали это предположение экспериментально. Этот эксперимент описан ниже.

Изобретатели исследовали в эксперименте переходы характеристик в цикле зарядки-разрядки для диоксида марганца в зависимости от глубины протекания реакции разрядки. Фигуры 13А и 13В иллюстрируют результаты эксперимента. На фигурах 13А и 13В вертикальная ось показывает потенциал электрода, а горизонтальная ось показывает количество электричества. Кривые разрядки, показанные на Фиг. 13А, получены при повторении зарядки и разрядки в одноэлектронной реакции 30 раз. Кривые разрядки, показанные на Фиг. 13В, получены при повторении зарядки и разрядки 30 раз в двухэлектронной реакции. Как показано на Фиг. 13А, кривые разрядки практически не отличаются друг от друга, даже если зарядки и разрядки повторяются. С другой стороны, как показано на Фиг. 13В, количество электричества уменьшается по мере повторения зарядок и разрядок. В данном случае одноэлектронная реакция относится к реакции разрядки, в которой диоксид марганца превращается в оксигидроксид марганца. Двухэлектронная реакция относится к реакции разрядки, в которой диоксид марганца превращается в оксигидроксид марганца, а затем образует гидроксид марганца. Как явствует из результатов эксперимента, показанных на фигурах 13А и 13В, разрядная характеристика остается почти однородной до тех пор, пока реакция разрядки представляет собой одноэлектронную реакцию. Очевидно также, что, когда происходит двухэлектронная реакция, разрядная характеристика постепенно ухудшается по мере повторения зарядки и разрядки. Таким образом, очевидно, что электрод постепенно разрушается.

В целях установления причины этого разрушения, авторы провели измерение дифракции рентгеновских лучей на электроде после зарядки и разрядки. Фиг. 14 иллюстрирует результаты этих измерений. Как показывает график (А) на Фиг. 14, когда зарядка и разрядка повторяются путем одноэлектронной реакции, новый максимум практически не обнаруживается, за исключением максимума, соответствующего кристаллической структуре электрода до эксперимента. Для сравнения, график(и) на Фиг. 14 иллюстрирует(ют) результаты измерений, проведенных на электроде перед экспериментом. Однако, как показывает график (В) на Фиг. 14, если зарядка и разрядка повторяются путем двухэлектронной реакции, характерный максимум, соответствующий диоксиду марганца практически не обнаруживается, но максимум, соответствующий тетраоксиду тримарганца, обнаруживается. Из этого результата явствует, что можно ограничивать образование тетраоксида тримарганца путем остановки разрядки в той стадии, когда диоксид марганца переходит в оксигидроксид марганца.

Даже когда диоксид марганца подвергается гидроксилированию путем разрядки, контакт электрода с кислородом позволяет вновь превратить его в диоксид марганца. Таким образом, диоксид марганца не переходит в гидроксид марганца, поэтому неизменяющийся тетраоксид тримарганца не образуется. Это значит, что авторам настоящего изобретения удалось использовать диоксид марганца в качестве материала для положительного электрода таким путем, что положительный электрод заряжается от контакта с кислородом на стадии гидроксилирования диоксида марганца.

Фигуры 15А и 15В иллюстрируют результаты эксперимента, показывающего, что положительный электрод может быть заряжен в то время, когда он находится в контакте с газообразным кислородом.

Как показано на фигурах 15А и 15В, для половины батареи, оснащенной положительным электродом из гидроксида марганца, эталонным электродом из серебра (Ag) и щелочным электролитом, изменение потенциала на положительном электроде в то время, когда выполняются зарядка и разрядка одновременно с подачей в батарею газообразного кислорода под давлением, представлено в виде функции времени. На фигурах 15А и 15В вертикальная ось показывает потенциал положительного электрода (серебряный электрод Ag/AgCl, (В)), а горизонтальная ось отражает прошедшее время (минуты). В половине батареи, включающей положительный электрод, изготовленный из диоксида марганца, и эталонный электрод, изготовленный из серебра, потенциал отсечки в то время, когда диоксид марганца в положительном электроде переходит в оксигидроксид марганца под действием разрядки, составляет -0,5 В. Как видно из фигур 15А и 15В, диоксид марганца в положительном электроде превращается в оксигидроксид марганца, поскольку потенциал на положительном электроде до зарядки (в момент времени ноль) составляет -0,5 В.

На Фиг. 15А обозначение (i) показывает график, иллюстрирующий потенциал на электроде сравнения после того, как газообразный кислород под давлением подавали к положительному электроду. На Фиг. 15А обозначение (ii) показывает график в случае, когда подачу газообразного кислорода прекращали, а затем проводили разрядку током 0,2С (током величиной 0,2 емкости аккумулятора). Как показано на Фиг. 15А, в случае, когда положительный электрод приводится в контакт с газообразным кислородом (сплошная линия), этот положительный электрод является практически полностью заряженным по прошествии 60 минут, а затем разряжается током 0,2С. С другой стороны, в случае, когда положительный электрод не приводится в контакт с газообразным кислородом (пунктирная линия), положительный электрод является практически не заряженным. Таким образом, было подтверждено, что реакция на катоде топливного элемента (окислительно-восстановительная реакция) происходит при участии газообразного кислорода и что разрядка путем реакции в аккумуляторной батарее происходит после прекращения подачи газообразного кислорода. Фиг. 15В иллюстрирует состояние заряда при использовании газообразного кислорода в условиях разрядки током 0,2С. Как видно из этой фигуры, зарядка с использованием газообразного кислорода может быть выполнена даже во время разрядки. Результатами эксперимента, показанными на фигурах 15А и 15В, было подтверждено, что положительный электрод может быть заряжен путем подачи газообразного кислорода к положительному электроду.

В топливном элементе по настоящему изобретению количество кислорода, растворенного в электролите, составляет от 0,02 до 24 г/л. Кроме того, в топливном элементе по настоящему изобретению давление электролита составляет от 0,2 МПа до 278 МПа.

Если давление электролита не более 0,2 МПа, то положительный электрод не может быть удовлетворительно заряжен с использованием кислорода, раствореннного в электролите. Кроме того, если давление электролита составляет не менее 278 МПа, разделение на кислород и водород посредством электролиза происходит трудно. Предпочтительно, чтобы давление электролита составляло от 0,95 МПа до 100 МПа. Если давление не более 1 МПа, топливным элементом можно легко управлять, поскольку нет необходимости использовать сосуд высокого давлением. Если давление составляет не менее 100 МПа, то основной корпус топливного элемента должен быть снабжен сосудом, находящимся под сверхвысоким давлением. Предпочтительно, чтобы количество кислорода, растворенного в электролите, составляло от 0,08 до 8,6 г/л.

При этой конфигурации диоксид марганца в положительном электроде временно переходит при разрядке в оксигидроксид марганца. Однако положительный электрод заряжается с использованием растворенного в электролите кислорода, поэтому оксигидроксид марганца вновь превращается в диоксид марганца. Соответственно, положительный электрод не разряжается до такой степени, чтобы диоксид марганца превратился в оксигидроксид марганца и далее образовал другое вещество. При зарядке и разрядке активный материал положительного электрода совершает переходы между диоксидом марганца и оксигидроксидом марганца. Таким образом, тетраоксид тримарганца, который не участвует в зарядке и разрядке, не образуется. Кроме того, поскольку тетраоксид тримарганца не образуется, уменьшение электропроводности также ограничивается.

В топливном элементе по настоящему изобретению каждый из положительных и отрицательных электродов представляет собой электрод для выработки электроэнергии, а также электрод для проведения электролиза электролита с использованием электрического тока, подаваемого извне.

В соответствии с этой конфигурацией каждый из положительных и отрицательных электродов содержит активный материал. Таким образом, этот топливный элемент служит в качестве батареи. Другими словами, такой топливный элемент может генерировать электроэнергию без подачи газа и может быть заряжен электрическим током. В этом топливном элементе, когда на него, находящегося в полностью заряженном состоянии, дополнительно подается электрический ток, происходит расщепление воды в электролите. Таким образом, на соответствующих электродах образуется водород и кислород.

В соответствии с этой конфигурацией, если электроды в полностью заряженном состоянии дополнительно заряжаются электрическим током, то на активном материале отрицательного электрода образуется водород путем электролиза воды (далее упоминается просто как электролиз). Этот водород может накапливаться в водородной накопительной камере. Кроме того, кислород, полученный на положительном электроде, растворяется в электролите. Следовательно, этот кислород может накапливаться в кислородной накопительной камере в виде электролита с растворенным в нем кислородом. Кроме того, положительный и отрицательный электроды служат не только как электроды для выработки электроэнергии с использованием, соответственно, кислорода и водорода в качестве топлива, но также и как электроды для расщепления воды. Кроме того, водород и кислород, полученные на отрицательном и положительном электродах путем электролиза, могут быть сохранены независимо друг от друга без контакта и реакции между собой в соответствующих накопительных камерах.

Водород, накапливающийся в водородной накопительной камере и кислород, накапливающийся в кислородной накопительной камере, могут быть использованы путем его обратного преобразования в электрическую энергию во время разрядки элемента. Кислород, полученный на положительном электроде, в частности, растворяется в электролите и не накапливается в газообразном состоянии. Это повышает безопасность работы с кислородом. Во время разрядки элемент служит аккумуляторной батареей таким образом, что из него может быть извлечена электрическая энергия. Это дает возможность быстрой разрядки, а также позволяет улучшить способность изменения нагрузки по заданному графику.

Как описано выше, электрическая мощность аккумуляторной батареи зависит от количества активного материала, содержащегося в электроде. Поэтому трудно повысить плотность энергии аккумуляторной батареи. Однако в данном топливном элементе доступная электрическая энергия может быть сохранена в виде химической энергии в каждой из накопительных камер.

В результате этого становится возможным увеличить количество химической энергии, сохраняемой на единицу объема, и повысить объемную плотность энергии топливного элемента за счет усиления устойчивости к давлению и герметичности каждой накопительной камеры и всего элемента в целом, включая накопительные камеры.

Каждая из кислородных и водородных накопительных камер, скомпонованных так, как описано выше, не обязательно представляет собой отдельное независимое пространство. Эти накопительные камеры могут быть предусмотрены в промежутке, образованном, например, смесью активных материалов положительного или отрицательного электродов, или в зазоре, сформированном в самом элементе.

В описываемом топливном элементе кислородная накопительная камера и водородная накопительная камера могут быть отделены друг от друга с помощью подвижной или гибкой детали.

В соответствии с этой конфигурацией, кислородная накопительная камера и водородная накопительная камера могут быть предусмотрены как примыкающие друг к другу. Эти две камеры разделены подвижной деталью. Поэтому, когда давление в водородной накопительной камере повышается из-за водорода, образующегося при избыточном заряде, эта подвижная деталь деформируется под действием давления. Ввиду такой деформации электролит в кислородной накопительной камере сжимается, а давление электролита и давление в водородной накопительной камере выравниваются, поэтому давление электролита возрастает. Объемный коэффициент упругости у жидкости значительно выше, чем у газа. Поэтому подвижная деталь деформируется очень незначительно. Подвижная деталь может быть гибкой или содержать эластичный материал. Подвижная деталь может иметь конструкцию листа или пленки. Кроме того, подвижная деталь может быть положительным или отрицательным электродом. Подвижная деталь может представлять собой пленку, изготовленную из резины или синтетической смолы, такой как полипропилен, или может быть тонкой пленкой, изготовленной из металла.

Между кислородной накопительной камерой и водородной накопительной камерой может быть предусмотрен связующий канал. В этом случае давление в водородной накопительной камере, может быть передано в электролит кислородной накопительной камеры через подвижную деталь в связующем канале. В таком случае подвижная деталь может представлять собой поршень. Кроме того, сам топливный элемент может быть разделен какой-либо гибкой деталью. Причем эта гибкая деталь может быть положительным электродом, отрицательным электродом и сепаратором.

В этом топливном элементе, предпочтительно в трубчатом кожухе, отрицательный электрод, выполненный в форме трубки, окружен радиальным пространством, расположенным между отрицательным электродом и трубчатым кожухом; положительный электрод, выполненный в форме трубки, расположен внутри отрицательного электрода вместе с сепаратором, расположенным между положительным электродом и отрицательным электродом, водородная накопительная камера образована в упомянутом выше радиальном пространстве, а кислородная накопительная камера образована внутри положительного электрода; или в трубчатом кожухе положительный электрод, выполненный в форме трубки, окружен радиальным пространством, расположенным между положительным электродом и трубчатым кожухом; отрицательный электрод, выполненный в форме трубки, расположен внутри положительного электрода вместе с сепаратором, расположенным между отрицательным электродом и положительным электродом, кислородная накопительная камера образована в упомянутом выше радиальном пространстве, а водородная накопительная камера образована внутри отрицательного электрода. В этой конфигурации кожух служит наружной оболочкой.

Этот топливный элемент дополнительно включает клемму отрицательного электрода, предусмотренную на одном конце оси кожуха и электрически соединенную с отрицательным электродом; клемму положительного электрода, предусмотренную на другом конце оси наружной оболочки и электрически соединенную с положительным электродом; выступ, предусмотренный на одной клемме положительного электрода и одной клемме отрицательного электрода; и паз, предусмотренный на другой клемме положительного электрода и другой клемме отрицательного электрода. При этом выступ может быть вставлен в паз таким образом, что два обратимых топливных элемента соединяются последовательно. В этой конфигурации кожух служит наружной оболочкой.

Модуль топливного элемента по настоящему изобретению включает в себя множество блоков топливных элементов, соединенных последовательно. В этом модуле топливных элементов каждый из блоков топливных элементов может содержать множество обратимых топливных элементов и пару пластин токосъемника, расположенных напротив друг друга таким образом, что множество обратимых топливных элементов зажато между ними. Клемма положительного электрода соединена с одной из пластин токосъемника, а клемма отрицательного электрода соединена с другой пластиной токосъемника так, что обратимые топливные элементы могут быть соединены с пластиной токосъемника параллельно.

Предпочтительно, чтобы такой топливный элемент дополнительно включал в себя внешний кожух, содержащий цилиндрический корпус и выпуклые части, предусмотренные на обоих открытых концах корпуса, выпячиваясь наружу от этих открытых концов и закрывая эти открытые концы; кислородные накопительные камеры, образующиеся во внутренних пространствах выпуклых частей внешнего кожуха; а также трубчатый токосъемник, помещающийся в внешнем кожухе в осевом направлении, у которого оба конца открыты в кислородные накопительные камеры. В этом топливном элементе положительный электрод расположен на наружной периферии токосъемника. Сепаратор обернут вокруг положительного электрода. Между сепаратором и внешним кожухом образуется водородная накопительная камера. Водородную накопительную камеру заполняет отрицательный электрод. В кислородных накопительных камерах находится электролит, который может течь между кислородными накопительными камерами через токосъемник.

Дополнительно топливный элемент содержит наружную оболочку, включающую трубчатый корпус; и стержневидный токосъемник, проходящий через положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор. В таком топливном элементе положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор могут быть уложены в осевом направлении корпуса и помещены в наружной оболочке. Положительный электрод может иметь выемку, которая формируется путем вырезания части наружной периферической поверхности положительного электрода, а наружная периферическая поверхность положительного электрода может находиться в контакте с внутренней поверхностью корпуса, за исключением выемки. Положительный электрод может не находится в контакте с токосъемником. Отрицательный электрод может иметь U-образное сечение, открытое в направлении внутреннего изгиба, и находиться в контакте с токосъемником. Пространство, окруженное отрицательным электродом совместно с токосъемником, может образовывать водородную накопительную камеру. Внешний размер отрицательного электрода может быть меньше внутреннего размера корпуса, и между отрицательным электродом и корпусом может быть расположен резервуар для электролита, сообщающийся с выемкой. Кислородная накопительная камера может включать в себя выемку и резервуар для электролита.

В такой конфигурации наружная оболочка может включать в себя трубчатый корпус и деталь в виде крышки, закрывающую открытую часть корпуса. В ином случае, наружная оболочка может включать в себя закрытый с одного конца цилиндр и деталь в виде крышки, закрывающую открытый конец цилиндра.

Если наружная оболочка выполнена в форме цилиндра, то положительный электрод находится в контакте с наружной оболочкой, поскольку наружный диаметр положительного электрода больше, чем внутренний диаметр корпуса. Кроме того, положительный электрод не находится в контакте с токосъемником, поскольку размер отверстия в положительном электроде, через которое проходит токосъемник, больше, чем наружный диаметр токосъемника. В свою очередь, отрицательный электрод находится в контакте с токосъемником, потому что размер отверстия отрицательного электрода меньше, чем наружный диаметр токосъемника.

Батарея обратимых топливных элементов по настоящему изобретению включает в себя данный топливный элемент, резервуар для хранения кислорода и резервуар для хранения водорода, причем, каждый из резервуаров соединен с топливным элементом. В упомянутой батарее обратимых топливных элементов резервуар для хранения кислорода может подавать растворенный в электролите кислород к обратимому топливному элементу и может хранить кислород, полученный от обратимого топливного элемента в таком состоянии, при котором кислород растворен в электролите. Резервуар для хранения газообразного водорода может подавать газообразный водород к обратимому топливному элементу и может хранить газообразный водород, образующийся в обратимом топливном элементе.

Батарея обратимых топливных элементов по настоящему изобретению может включать в себя упомянутый топливный элемент, устройство для регулирования концентрации соли, соединенное с обратимым топливным элементом для удаления воды, содержащейся в электролите; и устройство для регулирования концентрации кислорода, соединенное с обратимым топливным элементом для подачи кислорода в электролит, тем самым регулирующее концентрацию растворенного кислорода.

В этом топливном элементе, диоксид марганца служит катализатором для реакции зарядки в положительном электроде, а материал-накопитель водорода служит в качестве катализатора для реакции зарядки в отрицательном электроде.

В соответствии с этой конфигурацией, во время разрядки отрицательный электрод заряжается с участием газообразного водорода, накапливающегося в водородной накопительной камере, а положительный электрод заряжается с участием кислорода, накапливающегося в первой или второй кислородной накопительной камере, таким путем, что эта зарядка восполняет электроэнергию, уменьшенную во время разрядки. Более конкретно, при заряженном состоянии отрицательного электрода из сплава-накопителя водорода (МН) испускаются протоны, как показано в уравнении реакции (1), отражающем реакцию разрядки. Как представлено в уравнении реакции (2), газообразный водород восполняется за счет испускаемых протонов. Таким образом, отрицательный электрод поддерживается в заряженном состоянии.

С другой стороны, при заряженном состоянии положительного электрода диоксид марганца (MnO₂) восстанавливается, образуя оксигидроксид марганца (MnOOH), как показано в уравнении реакции (3), отражающем реакцию разрядки. Марганца оксигидроксид снова окисляется кислородом, как показано в уравнении реакции (4). Таким образом, положительный электрод поддерживается в заряженном состоянии. Как описано выше, газообразный водород и кислород в соответствующих накопительных камерах расходуются.

Другими словами, до тех пор, пока газообразный водород и кислород подаются в топливный элемент, этот топливный элемент может быть быстро заряжен при участии газообразного водорода и кислорода даже когда электроэнергия расходуется во время разрядки. В соответствии с этим, такой топливный элемент почти всегда поддерживается в практически полностью заряженном состоянии. Поскольку отрицательный электрод почти всегда находится в состоянии накопления газообразного водорода, увеличение и снижение объема отрицательного электрода за счет зарядки и разрядки ограничиваются. В результате этого отрицательный электрод имеет отличные характеристики срока службы. Более того, отрицательный электрод имеет функции, описанные выше, даже если количество активного материала мало. Таким образом, можно уменьшить количество тяжелого и дорогого сплава-накопителя водорода. В результате этого становится возможным добиться снижения веса и стоимости элемента.

В описываемом топливном элементе положительный электрод может содержать в дополнение к диоксиду марганца высший оксида марганца. Примеры высшего оксида марганца могут включать Mn₂O₅, Mn₂O₇ и MnO₅. Высший оксид марганца, описанный выше, временно образуется на положительном электроде, когда положительный электрод избыточно заряжается в процессе расщепления воды в электролите.

Для описываемого топливного элемента содержание тетраоксида тримарганца (Mn₃O₄) в положительном электроде составляет не более 5 масс.% по отношению к массе положительного электрода. Тетраоксид тримарганца не образуется, поскольку водород и кислород подаются почти постоянно. Тем не менее, существует возможность того, что тетраоксид тримарганца образуется, если подача газообразного водорода или кислорода временно снижается. Количество тетраоксида тримарганца, превышающее 5 масс.%, может вызвать проблемы. Количество, которое составляет не более 5 масс.% допустимо в зависимости от применения элемента. Масса положительного электрода, определяемая в настоящем изобретении, не включает массу токосъемника.

В этом топливном элементе диоксид марганца, содержащийся в положительном электроде, может быть покрыт углеродным покрытием.

Для электропроводящей обработки может быть использован кобальт. Но кобальт является дорогостоящим. Как правило, в качестве электропроводящего материала используют углерод. Однако углерод окисляется, образуя диоксид углерода. Поэтому трудно поддерживать электропроводность. Внутри такого топливного элемента существует атмосфера водорода. Ввиду этого углерод не окисляется, поэтому электропроводность может быть сохранена.

В данном топливном элементе материал-накопитель водорода содержит сплав-накопитель водорода или, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, состоящей из Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со и Ni. Кроме того, в отрицательном электроде этого топливного элемента, поверхность, находящаяся в контакте с сепаратором, может содержать гидрофильный материал, а поверхность, находящаяся в контакте с водородной накопительной камерой может содержать гидрофобный материал.

Полезный эффект изобретения

Обратимый топливный элемент по настоящиму изобретению отличается высокой плотностью энергии, отличной способностью изменения нагрузки по заданному графику и превосходной характеристикой срока службы.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе, схематически показывающий структуру обратимого топливного элемента в соответствии с первой формой осуществления настоящего изобретения, который иллюстрирует пример того, что кислород растворяется в электролите.

Фиг. 2А представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий структуру топливного элемента в соответствии со второй формой осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2В представляет собой вид в разрезе по линии D-D на Фиг. 2А.

Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий структуру топливного элемента в соответствии со вторым примером модификации второй формы осуществления изобретения.

Фиг. 4А представляет собой вид, иллюстрирующий структуру модуля батареи, оснащенного топливным элементом согласно примеру модификации, показанному на Фиг. 3, в котором закругленная часть представляет собой увеличенный вид, иллюстрирующий основные части.

Фиг. 4В изображает вид спереди, иллюстрирующий пластину токосъемника из Фиг. 4А.

Фиг. 5 представляет собой конфигурационную диаграмму, иллюстрирующую процесс с использованием топливного элемента в соответствии со второй