ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2262161

НОВЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

НОВЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

Имя изобретателя: ПЕЛЕД Эмануэль (IL); ДУВДЕВАНИ Таир (IL); МЕЛМАН Ави (IL); АХАРОН Ади (IL) 
Имя патентообладателя: ТЕЛЬ-АВИВ ЮНИВЕРСИТИ ФЬЮЧЕ ТЕКНОЛОДЖИ ДЕВЕЛОПМЕНТ Л.П. (IL)
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б.Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. Е.Е.Назиной
Дата начала действия патента: 2001.01.18 

Изобретение относится к топливным элементам и органическим топливам, предназначенным для использования в топливных элементах. Техническим результатом изобретения является выбор наиболее активных органических топлив. Согласно изобретению раскрыты применение диметилоксалата, этиленгликоля, его сложных эфиров щавелевой кислоты, глиоксалевой кислоты и муравьиной кислоты, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтиленоксалата для заправки топливом топливных элементов, топливные элементы, снабжаемые в качестве топлива этими соединениями, гибридный источник энергии, содержащий эти топливные элементы, и способ определения их концентрации в растворе.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение касается топливных элементов и органических видов топлива, предназначенных для применения в топливных элементах.

Углеводороды и алифатические спирты с большим трудом подвергаются электролитическому окислению полностью (Дж.Уонг, С.Уосмус и Р.Ф.Сэвинелл (J.Wang, С.Wasmus, R.F.Savinell), Журнал электрохимического общества (J. Electrochem. Soc.) 142, 4218 (1995)), основные продукты окисления алифатических спиртов представляют собой альдегиды или кетоны, СО2 и кислоты или сложные эфиры. Даже при температуре 190°С в топливном элементе с полимерно-электролитной мембраной (ПЭМ) окисление этанола не полное, основным продуктом окисления (свыше 60%) является этаналь, в то время как СО2 составляет менее 40% от продуктов окисления. Соединение, которое не дает электроокисление до 80% или больше, не может рассматриваться как эффективное топливо. Как хорошо известно изобретателям, сообщения относительно полного электроокисления состава, имеющего связь С-С, никогда не было, за исключением щавелевой кислоты (B.C. Багоцкий и И. Б. Васильев, Elec-trochemica Acta 9, 869 (1964 г.)). Имеются несколько публикаций, в которых предлагается топливо для использования в топливных элементах. Среди них в патенте США 5599638 упоминается применение метанола, формальдегида, муравьиной кислоты, диметоксиметана, триметоксиметана и триоксана. При просматривании приблизительно 150 органических соединений в качестве потенциального топлива для топливных элементов, выполненном НАСА (отчет НАСА № SP-120 (1967 г.), глава 15, стр. 225 и следующие), только метанол был проверен на пригодность в качестве эффективного топлива. Другие органические молекулы были исследованы в кислых, нейтральных или основных растворах для их потенциала полуячейки, напряжение электрода измеряли при различных токах и температурах, и была рассчитана максимальная мощность на см2, предполагая теоретический кислородный электрод. Все молекулы, которые были экранированы, демонстрировали некоторую максимальную мощность в диапазоне 1-250 мВт/см2. Однако этот параметр не показывает, является ли соединение хорошим кандидатом в качестве топлива. Например, метанол, который рассматривается как хорошее органическое топливо, и этанол, который едва ли может рассматриваться в качестве топлива, продемонстрировали аналогичные значения максимальной мощности в кислотной среде (13 и 15 мВт/см2 соответственно). В SP-120 (глава 16, стр. 262 и следующие) сообщалось, что этиленгликоль и мочевина имеют плохие эксплуатационные качества (в 30% КОН топливном элементе). Некоторыми другими молекулами, упомянутыми в этом отчете НАСА, являются глицерин, глиоксаль альдегид и глиоксиловая кислота.

Настоящее изобретение обеспечивает органические виды топлива для топливных элементов. Органические виды топлива согласно настоящему изобретению выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложных эфиров щавелевой кислоты, глиоксалевой кислоты и муравьиной кислоты, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтилен-оксалата, где последний является сложным полиэфиром щавелевой кислоты и этиленгликоля. Органические виды топлива по изобретению подвергаются чистому и эффективному окислению в нещелочных топливных элементах, особенно в кислотных топливных элементах. Предпочтительными видами топлива согласно настоящему изобретению являются диметилоксалат, этиленгликоль, его сложный эфир муравьиной кислоты, этиленоксалат и полиэтиленоксалат. Наиболее предпочтительными видами топлива в соответствии с настоящим изобретением являются этиленгликоль и диметилоксалат. Предпочтительные виды топлива по изобретению представляют собой такие виды топлива, более 80% которых преобразуются в CO2 и оставляют только незначительные количества нелетучих побочных продуктов при использовании в качестве топлива в топливном элементе.

Не ограничивающие примеры топливных элементов, которые могут удовлетворительно работать с топливом по изобретению, включают в себя топливные элементы с жидким исходным материалом, топливные элементы с газообразным исходным материалом, высокотемпературные топливные элементы, топливные элементы с твердым оксидом, топливные элементы с расплавленным карбонатом и топливные элементы, которые используют протонообменные или протонопроводящие мембраны. Предпочтительными являются топливные элементы, которые используют протонообменные или протонопроводящие мембраны, или топливные элементы с твердым оксидом.

Кроме того, изобретение обеспечивает смеси видов топлива по изобретению, а также смеси видов топлива по изобретению с известными органическими видами топлива типа метанола для применения в качестве топлива в топливных элементах.

Некоторые из видов топлива по изобретению также могут быть полезны в использовании со щелочными топливными элементами, особенно при повышенных температурах. Однако, когда используется щелочной электролит, может оказаться необходимым заменять его время от времени из-за неполного электроокисления топлива в основной окружающей среде и накопления карбонатов или других органических солей, обусловленных этим неполным электроокислением.

Когда топливные элементы функционируют с топливом по изобретению, они демонстрируют плотность переходного тока, которая является более низкой, чем плотность переходного тока, демонстрируемая топливными элементами при работе с метанолом, являющимся в настоящее время наиболее широко используемым топливом в таких элементах. Низкий переходный ток приводит к высокой эффективности. Чтобы не быть связанным с теорией, можно полагать, что низкие переходные токи объясняются большим размером молекул топлива по изобретению, по сравнению с размером молекул метанола. Большой размер молекул соотносится с небольшим коэффициентом диффузии, что ведет к малой плотности переходного тока.

Кроме того, виды топлива по изобретению имеют более высокие точки кипения, чем метанол, таким образом проходя через протонопроводящую мембрану главным образом в своей жидкой фазе. Естественно, коэффициент диффузии в жидкой фазе меньше, чем в газовой фазе.

Твердые виды топлива по изобретению типа диметилоксалата и полиэтиленоксалата могут иметь преимущества по сравнению с жидкими видами топлива подобно метанолу по нескольким причинам, например, их более легкая обработка и более низкая растворимость в воде. Таким образом, они сохраняют низкую концентрацию, которая помогает в поддержании низкого переходного тока. Кроме того, можно хранить их насыщенные растворы, например, в анодной камере топливного элемента вместе со значительным количеством твердого топлива, которое растворяется, когда элемент функционирует и топливо расходуется, в то время как нерастворенное твердое топливо служит в качестве запаса топлива.

В соответствии с другим из своих аспектов изобретение обеспечивает топливный элемент прямого окисления, имеющий анод, катод, протонопроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и упомянутым катодом, средство для подачи органического топлива к аноду и средство для подачи кислорода к катоду, в котором упомянутое органическое топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложных эфиров щавелевой кислоты, глиоксалевой кислоты и муравьиной кислоты, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтиленоксалата. Предпочтительными элементами согласно этому аспекту изобретения являются элементы, в которых топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложных эфиров щавелевой кислоты и муравьиной кислоты и полиэтиленоксалата. Наиболее предпочтительными топливными элементами согласно этому аспекту настоящего изобретения являются элементы, в которых топливо выбирают из группы, состоящей из этиленгликоля и диметилоксалата.

В соответствии с одним вариантом осуществления, топливный элемент согласно этому аспекту настоящего изобретения дополнительно отличается тем, что СО 2, образуемый во время его работы, выпускается через тонкую гидрофобную пористую матрицу, помещенную в анодное отделение или в топливный резервуар, обеспечивая таким образом возможность выведения газа без потери раствора.

В соответствии с другим из его вариантов осуществления настоящее изобретение обеспечивает топливный элемент, который специально приспособлен для работы с топливом по изобретению. Такой топливный элемент отличается наличием катода, содержащего, в дополнение к катализатору восстановления кислорода, катализатор окисления топлива, не ограничивающие примеры которого представляют катализатор Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Ru-Sn, Pt-Ag-Ru, Pt-Os или комбинация этих катализаторов. Катализатор окисления топлива в катоде улучшает окисление топлива, которое переходит через мембрану, и предотвращает дезактивацию катализатора восстановления кислорода у катода, который обычно представляет собой катализатор Pt или сплава Pt. Практическое отношение между катализатором восстановления и катализатором окисления находится между 1% и 50%, предпочтительно 5% и 20% (процентного соотношения массы), или между 0,01 и 5 мг, предпочтительно между 0,05 и 0,2 мг катализатора окисления на 1 см2 кислородного электрода.

Изобретение дополнительно обеспечивает, согласно другому из его аспектов, способ оценки концентрации новых видов топлива при заранее определенной температуре, при этом способ включает следующие этапы:

(a) подготовки калибровочных кривых переходного тока в зависимости от концентрации топлива при упомянутой заранее определенной температуре в топливном элементе;

(b) измерения переходного тока при упомянутой заранее определенной температуре в упомянутом топливном элементе; и

(c) определения концентрации топлива на основании тока, измеренного на этапе (b), и калибровочной кривой, подготовленной на этапе (а).

Этот способ основан на работе изобретателей, обнаруживших, что переходный ток в топливных элементах по изобретению является прямо пропорциональным концентрации топлива. Например, нашли, что плотность переходного тока 1 г-моля (грамм-молекулы) этиленгликоля при 80°С была в два раза больше, чем плотность переходного тока 0,5 г-моля этиленгликоля при такой же температуре (41 и 19 мА/см2 соответственно), а плотность переходного тока 0,25 г-моля диметилоксалата при 60°С составляла приблизительно в 2,5 раза больше, чем плотность переходного тока 0,1 г-моля диметилоксалата при такой же температуре (2,5 и 0,9 мА/см 2 соответственно). Это заключение имеет силу при условиях, гарантирующих, что измеряемый ток не зависит от напряжения, при котором его измеряют.

Способ по изобретению можно применять для измерения концентрации топлива в топливном растворе в работающем топливном элементе. Его можно выполнять посредством измерения переходного тока в функционирующем топливном элементе. В качестве альтернативы, можно обеспечивать вспомогательный небольшой топливный элемент для выполнения измерения. Этот альтернативный вариант обеспечивает возможность измерения в соответствии с изобретением без необходимости эксплуатировать весь топливный элемент с напряжением, требуемым для измерения. Вспомогательный топливный элемент может быть физически отделен от топливного элемента, встроен в нем, прикреплен к нему или прикреплен к топливному резервуару.

Настоящее изобретение также обеспечивает гибридный источник энергии, содержащий по меньшей мере один топливный элемент, соответствующий настоящему изобретению, преобразователь постоянного тока и перезаряжаемую батарею.

Метаноловый топливный элемент прямого действия (МТЭПД) и топливные элементы с жидким исходным материалом (ТЭЖИМ) представляют собой источники малой мощности. Однако устройства типа мобильных телефонов, компьютеров и небольших электромобилей нуждаются в большой мощности в течение короткого промежутка времени. Для этих и аналогичных применений можно объединять соответствующий изобретению топливный элемент с небольшой мощной перезаряжаемой батареей, которая обеспечивает большую мощность, когда требуется. Такое объединение выгодно для всех применяющихся в настоящее время гибридных источников энергии, между прочим, благодаря маленькому переходному току. В настоящее время преобразователи постоянного тока могут начинать работать от 0,7 В, поскольку можно объединять только два или три топливных элемента (последовательно) через преобразователь постоянного тока с батареей. Если плотность переходного тока достаточно маленькая, скажем, 15 мА/см2 или меньше, предпочтительно 5 мА/см2 или меньше, такой гибридный источник мощности не нуждается в очень частом снабжении топливом. Поэтому этот гибридный источник энергии является предпочтительным с топливным элементом низкой плотности переходного тока типа топливного элемента по изобретению. Топливный элемент заряжает батарею и обеспечивает небольшое потребление мощности, в то время как батарея большой мощности обеспечивает большую нагрузку. Это небольшое количество требуемых топливных элементов дает возможность использовать плоскую и тонкую систему топливных элементов.

Настоящее изобретение обеспечивает такие гибридные источники энергии, которые снабжаются топливом по настоящему изобретению. Обеспечение топливом таких гибридных источников энергии с помощью твердого топлива по настоящему изобретению является наиболее выгодным.

Например, для запитывания сотового телефона можно использовать гибридный источник энергии, образованный из двух тонких топливных элементов, соединенных последовательно и снабжаемых жидким топливом по изобретению типа этиленгликоля, или твердым топливом по изобретению типа диметилоксалата, преобразователя постоянного тока и небольшого элемента на ионах лития высокой мощности.

Чтобы лучше понять изобретение и увидеть, как оно может работать на практике, будут подробно описаны несколько вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 представляет график, показывающий поляризационные кривые некоторых видов топлива, соответствующих настоящему изобретению, и некоторых используемых в настоящее время видов топлива; и

фиг.2 представляет схематическую иллюстрацию органического топливного элемента с твердым исходным материалом в соответствии с изобретением.

Подробное описание некоторых вариантов осуществления

Пример 1: Получение поляризационных кривых для нескольких видов топлива

Топливный элемент был изготовлен с использованием катализаторов на основе чистых металлов, вместо катализаторов, нанесенных на углеродную подложку. Катодная каталитическая краска была приготовлена с помощью следующего процесса.

Нанопорошок Pt (платиновая чернь, приобретенная у фирмы "Johnson Matthey"), эмульсия TeflonTM и 5% раствор NafionTM были объединены в следующих соотношениях массы: 60% Pt, 25% эмульсии Teflon (тефлона) и 15% Nafion. Сначала порошок Pt и эмульсию тефлона смешивали посредством ультразвуковой обработки в течение 15 минут. После двух периодов ультразвуковой обработки полученную краску поместили в магнитную мешалку по меньшей мере на одну ночь.

Анодная каталитическая краска была приготовлена с помощью следующего процесса: нанопорошок Pt:Ru (50% сажа Pt:Ru, приобретенная у фирмы "Johnson Matthey") и поливинил-иденфторид (PVDF) были смешаны в следующих соотношениях массы: 91% порошка катализатора и 9% поливинилиденфторида. Был добавлен пропиленкарбонат в количестве, равном 30-70% от объема катализатора, затем был добавлен циклопентанон, и полученная краска перемешивалась в течение по меньшей мере одной ночи.

Подготовка электродов: катодную каталитическую краску нанесли на покрытую тефлоном ТогауТМ бумагу из углеродного волокна, образуя слой 4 мг Pt/см2 . Краску (в форме пасты) наносили слоями, позволяя каждому слою сохнуть в течение приблизительно одного часа прежде чем накладывать следующий слой. Эту операцию повторяли до тех пор, пока не было получено требуемое количество катализатора. Таким же образом, анодную каталитическую краску наносили на не покрытую тефлоном ТогауТМ бумагу из углеродного волокна, пока не был получен слой 5-10 мг катализатора/см2. Оба электрода промыли в 3 грамм-молекулах серной кислоты и затем в воде.

Катод и анод поместили с обеих сторон ППМ (РСМ) (протонопроводящей мембраны) толщиной 100-300 мкм параллельно друг другу и подвергли горячему прессованию под давлением 10-70 кг/см2 при температуре 85-130°C. Фиг.1 иллюстрирует поляризационные кривые для этого вида топливного элемента при следующих условиях: раствор топлива и 3 г-моля H2SO4 циркулировали через анод со скоростью потока 9 мл/мин. Кислород циркулировал мимо катода под давлением на 0,25 атм выше атмосферного давления. Температура элемента была 65°С. ППМ имела толщину 300 мкм и состояла (по соотношению объемов) из 16% порошка SiO2 с наночастицами, 24% поливинил-иденфторида и 60% объема пор с типичным диаметром 1,5 нм. Элемент демонстрировал более 100 часов устойчивой работы при напряжении 0,4 В. Исследуемыми видами топлива были метанол (1 г-моль), 0,1 г-моля щавелевой кислоты с 1 г-молем метанола, 0,1 г-моля щавелевой кислоты, 0,1 г-моля диметилоксалата, 0,1 г-моля этиленгликоля и 0,5 г-моля глицерина. (Из них, глицерин, щавелевая кислота и метанол не являются n в соответствии с настоящим изобретением). Как показано на графике, при этих условиях диметилоксалат и этиленгликоль имели лучшие характеристики. Однако, нужно иметь в виду, что ни одно из условий в этом эксперименте не было оптимизировано, так что другие концентрации и/или другие катализаторы могут привести качественно к отличающимся наблюдениям.

Применение топлива определяли посредством выполнения электрохимического титрования 50 мл топливного раствора при постоянном напряжении, пока ток не снижался до 3 мА. Подсчитано, что при этом токе только несколько процентов от топлива оставалось неокисленным. Применение было рассчитано путем сравнения экспериментальной производительности с теоретическим значением. Дополнительная коррекция была сделана посредством экстраполяции кривых титрования к нулевому току. Эта коррекция увеличивает значения использования на величину от 3 до 6% (см. таблицу 1).

Нашли, что применение топлива при 0,2 В составляло 95% для диметилоксалата, 94% для этиленгликоля и только 85% для метанола (см. таблицу 1). При более практическом напряжении 0,4 В нашли, что применение топлива составляло 89% для этиленгликоля, 67% для диметилоксалата и 81% для метанола.

Поскольку топливо переходит на катодную сторону, эти высокие значения применения топлива говорят о том, что имеется почти 100% электроокисление топлива.

Измерения перехода топлива были выполнены при нескольких температурах посредством подачи азота вместо кислорода в катодное отделение (под давлением окружающей среды) и подачи органического топливно-кислотного раствора в анодное отделение. Напряжение элемента было изменено на противоположное; на топливном электроде выделялся водород, в то время как топливо, которое перешло на катодную сторону, окислялось. Нашли, что ток, текущий при напряжении 1 В, являлся током ограничения для окисления всего топлива.

В таблице 2 суммированы результаты испытания перехода топлива. Плотность переходного тока зависит от проницаемости, температуры, концентрации топлива и от общего количества электронов, вовлекаемых в окисление. Плотность переходного тока для 1 г-моля метанола (при 80°С) в два раза больше плотности переходного тока для 1 г-моля этиленгликоля и 0,25 г-моля диметилоксалата. Однако, когда принимается во внимание количество электронов, а топливный поток, выраженный в единицах мол·с-1·см-2 (при 80°С и при условиях диффузионного контроля), нормирован к 1 г-молю топлива, можно заметить, что проницаемость (поток) этиленгликоля составляет одну треть от проницаемости (потока) метанола, в то время как проницаемость (поток) диметилоксалата имеет почти такую же величину, как у метанола.

Таблица 1

Сравнение использования различных видов топлива
  Количество электронов Теоретическая производительность [А·ч/г] Использование при 0,4 В* [%] Использование при 0,2 В* [%]
Эксп. Корр. Эксп. Корр.
Щавелевая кислота 2 0,43     91  
Метанол 6 5,03 79 81 82 85
Этилен-гликоль 10 4,32 83 89 89 94
Диметилоксалат 14 3,18 64 67 93 95
*Среднее значение по меньшей мере двух испытаний;

Эксп. - экспериментальные значения; Корр. - откорректированные значения, см. текст.

Таблица 2

Переход различных видов топлива
1. Топливо   Испытание перехода:
  Темп. [°С] Конц.

[г-моль]
Плотность переходного тока [А/см 2] Поток топлива* [мол·с -1·см-2] 1×10 -8
Диметилоксалат 60 0,10 0,009 6,7
  60 0,25 0,025 7,4
  80 0,25 0,038 11
Этиленгликоль 80 0,5 0,019 3,9
  80 1/0 0,041 4,2
Метанол 80 1,0 0,076 13
* Нормализованный к 1 г-молю

Пример 2: Применение соответствующего изобретению топлива в основанном на Nafionд топливном элементе

Корпус топливного элемента был изготовлен из синтетических графитовых пластин, приобретенных у фирмы Globetech Inc., в которых область потока была гравирована.

Анод был образован посредством использования платино-рутениевой краски, которую наносили на лист из углеродного волокна, доступную для приобретения из бумаги Torayд. Слой катализатора состоял из 15% тефлона (DuPont), 15% Nafionд и 70% нанопорошка Pt-Ru (50% сажа Pt:Ru, приобретенная у фирмы "Johnson Matthey"). Загрузка анода составляла 5 мг/см 2. Использованный катод был приобретен у фирмы ELAT Е-ТЕКд и состоял из 4 мг Pt/см2 и 0,6 мг nafion/см2 . Анод и катод подвергли горячему прессованию с мембраной 117 Nafion, имеющейся у фирмы DuPont, с целью формирования электродного узла мембраны (ЭУМ), как описано в примере 1.

После охлаждения ЭУМ поместили между графитовыми пластинами области потока ввели полипропиленовую герметизацию и собрали элемент.

Во время работы водный раствор топлива, выбранного из щавелевой кислоты, диметилоксалата, этиленгликоля, глицерина в диапазоне концентраций 0,1-0,5 г-моля, циркулировал мимо анода (с использованием шлангового (перистальтического) насоса Masterflex L/S Cole-Parmer Instrument Co.) с различными скоростями потока от 4 до 15 мл/мин.

Кислород вводился в катодное отделение непосредственно или через водный барботер под давлением окружающей среды и со скоростью потока от 7 до 40 мл/мин. Элементы функционировали при температуре 60°С. Нашли, что поляризационные кривые аналогичны поляризационным кривым на фиг.1.

Пример 3: Органический топливный элемент с твердым исходным материалом

Фиг.2 иллюстрирует органический топливный элемент с твердым исходным материалом, имеющий пластмассовый корпус 501, анод 509, катод 511 и полимерную твердоэлектролитную мембрану 510. Мембрана 510 представляла собой мембрану ППМ вида, описанную в WO 99/44245, состоящую из 12% SiO2, 28% поливинилиденфторида и 60% пустот (в которые вводился кислый раствор). Анод, катод и ЭУМ были подготовлены, как в примере 1. Твердое органическое топливо вводили через топливное отверстие 502 и герметизировали пробкой 503. Топливо растворялось в резервуаре и абсорбировало через сеть 507 из хастэллоя С-276 (Cabot) в пористой углеродной ткани 508. Диоксид углерода, образующийся в анодном отделении, удалялся через выхлопное сопло 504. Поскольку жидкое топливо может вытекать через выхлопное сопло, форсунку закрывали тонким гидрофобным пористым слоем 506. Гидрофобный слой является проницаемым для газа только в то время, когда раствор топлива остается в резервуаре. Катод открыт для воздуха через вторую сеть 513 из хастэллоя. Для предотвращения просачивания топлива с катодной стороны ЭУМ герметизирован прокладкой 512. Вторая сеть 513 из hastalloy используется также в качестве покрытия для всего узла. 200 мг диметилоксалата были растворены в топливном резервуаре, который содержал раствор 1 г-моля H2SO 4. Топливный элемент обеспечивал 30 мА при 0,35 В. Плотность переходного тока составляла 2 мА/см2 при комнатной температуре.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Применение органического соединения, выбираемого из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, эфиров этиленгликоля с щавелевой, глиоксалевой и муравьиной кислотами, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтиленоксалата, в качестве топлива, которое подвергается преобразованию более чем на 80% в СО2 в нещелочных топливных элементах.

2. Применение по п.1, в котором упомянутое органическое соединение выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложного эфира муравьиной кислоты, этиленоксалата и полиэтиленоксалата и их смесей.

3. Применение по п.1, в котором упомянутое органическое соединение выбирают из группы, состоящей из этиленгликоля, диметилоксалата и их смесей.

4. Применение по п.1, в котором упомянутое органическое соединение выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, полиэтиленоксалата и их смесей.

5. Применение по любому из пп.1-4, в котором упомянутое органическое соединение смешивают с известным топливом.

6. Применение по п.5, в котором упомянутое известное топливо представляет собой метанол.

7. Применение по любому из пп.1-6, в котором упомянутый топливный элемент представляет собой топливный элемент с кислым электролитом.

8. Применение по любому из пп.1-6, в котором упомянутый топливный элемент имеет протонопроводящую мембрану.

9. Топливный элемент прямого окисления, имеющий анод, катод, протонопроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и упомянутым катодом, средство для хранения или подачи органического топлива к аноду и средство для подачи кислорода к катоду, в котором упомянутое органическое топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, эфира этиленгликоля с щавелевой, глиоксалевой и муравьиной кислотами, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтиленоксалата.

10. Топливный элемент прямого окисления по п.9, в котором упомянутое топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложного эфира щавелевой кислоты и муравьиной кислоты, этиленоксалата, полиэтиленоксалата и их смесей.

11. Топливный элемент прямого окисления по п.10, в котором топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложного эфира муравьиной кислоты, этиленоксалата, полиэтиленоксалата и их смесей.

12. Топливный элемент прямого окисления по п.11, в котором топливо выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля и их смесей.

13. Топливный элемент прямого окисления по любому из пп.9-12, в котором упомянутый топливный элемент является элементом с жидким исходным материалом.

14. Топливный элемент прямого окисления по п.12, в котором топливо выбирают из группы, состоящей из полиэтиленоксалата, диметилоксалата и их смесей.

15. Топливный элемент прямого окисления по любому из п.9 или 14, имеющий тонкую гидрофобную пористую матрицу, помещенную в анодное отделение или в топливный резервуар с целью выпуска через нее CO2, образуемого во время работы топливного элемента.

16. Топливный элемент прямого окисления по любому из пп.9-15, в котором упомянутый анод содержит Pt:Ru катализатор.

17. Способ преобразования в топливном элементе более 80% топлива в CO2, включающий этапы

(i) обеспечения топливного элемента, имеющего анод, катод, протонопроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и упомянутым катодом, средство для хранения или подачи органического топлива к аноду и средство для подачи кислорода к катоду,

(ii) подачи топлива в упомянутый топливный элемент, и

(iii) функционирования упомянутого топливного элемента, отличающийся тем, что упомянутое топливо выбирают из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложных эфиров щавелевой кислоты, глиоксалиевой кислоты и муравьиной кислоты, глиоксиловой кислоты и ее сложных метиловых эфиров, глиоксилового альдегида и полиэтиленоксалата.

18. Способ по п.17, в котором упомянутый анод содержит Pt:Ru катализатор.

19. Способ по п.17 или 18, в котором упомянутый топливный элемент функционирует на этапе (iii) при температуре 60°С и выше.

20. Способ по любому из пп.17-19, в котором катод содержит катализатор восстановления кислорода и катализатор окисления топлива.

21. Способ по п.20, в котором упомянутый катализатор окисления топлива выбирают из группы, состоящей из катализаторов Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Ru-Sn, Pt-Ag-Ru, Pt-Os и любой их комбинации.

22. Способ по любому из п.20 и 21, в котором отношение между катализатором окисления топлива и катализатором восстановления кислорода находится между 1% и 50% (процентного соотношения массы).

23. Способ по п. 22, в котором упомянутое отношение находится между 5% и 20% (процентного соотношения массы).

24. Способ по любому из пп.17-23, в котором упомянутые органические соединения выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, этиленгликоля, его сложного эфира муравьиной кислоты, этиленоксалата и полиэтиленоксалата и их смесей.

25. Способ по любому из пп.17-23, в котором упомянутые органические соединения выбирают из группы, состоящей из этиленгликоля, диметилоксалата и их смесей.

26. Способ по любому из пп.17-23, в котором упомянутые органические соединения выбирают из группы, состоящей из диметилоксалата, полиэтиленоксалата и их смесей.

27. Способ по любому из пп.17-23, в котором упомянутые органические соединения смешивают с известным топливом.

28. Способ по п.27, в котором упомянутое известное топливо представляет собой метанол.

29. Топливный элемент прямого окисления, имеющий катод, содержащий катализатор восстановления кислорода и катализатор окисления топлива.

30. Топливный элемент прямого окисления по п.29, в котором упомянутый катализатор окисления топлива выбирают из группы, состоящей из катализаторов Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Ru-Sn, Pt-Ag-Ru, Pt-Os и любой их комбинации.

31. Топливный элемент прямого окисления по п.30, в котором отношение между катализатором окисления топлива и катализатором восстановления кислорода находится между 1% и 50% (процентного соотношения массы).

32. Топливный элемент прямого окисления по п.31, в котором упомянутое отношение находится между 5% и 20% (процентного соотношения массы).

33. Топливный элемент прямого окисления по любому из пп.29-32, в котором упомянутое топливо представляет собой смесь, определенную в п.5 или 6.

34. Способ определения концентрации топлива в растворе при заранее определенной температуре, где топливо представляет собой диметилоксалат, этиленгликоль, его сложные эфиры щавелевой кислоты, глиоксалевой кислоты и муравьиной кислоты, глиоксиловую кислоту и ее сложные метиловые эфиры, глиоксиловый альдегид, полиэтиленоксалат, включающий следующие этапы:

a) подготовки калибровочных кривых переходного тока в зависимости от концентрации топлива при упомянутой заранее определенной температуре в данном топливном элементе,

b) измерения переходного тока при упомянутой заранее определенной температуре в упомянутом данном топливном элементе и определения концентрации топлива на основании переходного тока, измеренного на этапе b), и калибровочных кривых, подготовленных на этапе а).

35. Гибридный источник энергии, содержащий по меньшей мере один топливный элемент по любому из пп.9-16 или 29-33, преобразователь постоянного тока и перезаряжаемую батарею.

Версия для печати
Дата публикации 09.04.2007гг


вверх