Жидкостной топливный элемент прямого действия (1) включает в себя катод (4), анод (3), топливную камеру (2) и по меньшей мере одну мембрану (8), расположенную между анодом (3) и топливной камерой (2). Мембрана (8) структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется на или вблизи обращенной к топливной камере (2) поверхности анода (3), накапливаться рядом с анодом (3), по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом (3) и жидким топливом. Также раскрыт способ предотвращения или уменьшения разложения топлива в топливном элементе.

 

(57) Реферат / Формула:
топливный элемент прямого действия (1) включает в себя катод (4), анод (3), топливную камеру (2) и по меньшей мере одну мембрану (8), расположенную между анодом (3) и топливной камерой (2). Мембрана (8) структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется на или вблизи обращенной к топливной камере (2) поверхности анода (3), накапливаться рядом с анодом (3), по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом (3) и жидким топливом. Также раскрыт способ предотвращения или уменьшения разложения топлива в топливном элементе.

 

---

2420-142642ЕА/061 ЖИДКОСТНОЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАЗЛОЖЕНИЯ ТОПЛИВА В ЖИДКОСТНОМ ТОПЛИВНОМ
ЭЛЕМЕНТЕ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ
ОПИСАНИЕ
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки США №10/941020, поданной 15 сентября 2004, содержание которой явным образом включено сюда во всей его полноте посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к жидкостному топливному элементу прямого действия (ЖТЭПД) (от англ. Direct Liquid Fuel Cell, DLFC), в котором используется гидридное топливо, а также относится, в частности, к предотвращению или, по меньшей мере, существенному уменьшению образования водорода, вызываемого разложением гидридного топлива на аноде топливного элемента, когда ЖТЭПД находится в состоянии с низкой нагрузкой или вообще без нагрузки.
Во время того периода, когда топливный элемент находится при низкой нагрузке или вообще без нагрузки, реакция разложения гидридного топлива на аноде топливного элемента генерирует водород. Поэтому данное изобретение также предлагает способ, в котором образовавшийся водород используется для обеспечения разделительного слоя между анодом и жидким топливом. Таким образом по существу предотвращается контакт топлива с анодом, посредством чего предотвращается разложение топлива в, по меньшей мере, существенной степени.
Один из путей, которым можно это осуществить, представляет собой расположение специальной мембраны близко к той поверхности или в контакте с той поверхностью анода, которая обращена к топливной камере. Образующийся вначале водород накапливается между этой мембраной и анодом и отталкивает или оттесняет жидкое топливо из пространства между анодом и мембраной. Это вынуждает жидкое топливо отделяться от анода.
2. Обсуждение информации об уровне техники
Наиболее часто используемым жидким топливом для ЖТЭПД является метанол. Основными недостатками таких метанольных топливных элементов прямого действия (МТЭПД) (от англ. Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) являются токсичность метанола и очень плохие разрядные характеристики при комнатной температуре. В результате МТЭПД обычно не используют для применений в портативной электронике и тому подобного.
Различные виды топлива на основе металлогидридных и боргидридных соединений, таких как, например, боргидрид натрия, имеют очень высокую химическую и электрохимическую активность. Соответственно, ЖТЭПД, в которых используются такие виды топлива, имеют очень высокие разрядные характеристики (плотность тока, удельная энергия и т.д.) даже при комнатной температуре.
Например, электроокисление боргидридных видов топлива на поверхности анода топливного элемента происходит согласно следующему уравнению:
ВН4"+80Н"=В02"+бН20+8е" (1)
Основной проблемой, связанной с гидридными или боргидридными видами топлива, является самопроизвольное разложение этого топлива на (активном слое) поверхности анода, которое сопровождается образованием водорода, обычно в форме микропузырьков, например, пузырьков с размером от примерно 0,01 до примерно 2 мм. Данный процесс является особенно значительным в режиме разомкнутой цепи ЖТЭПД и в режиме готовности (низкого тока).
Разложение боргидридного соединения происходит согласно следующему уравнению:
BH4> 8H20=B02~+4H2t (2)
Разложение гидрида и боргидрида на аноде ЖТЭПД приводит к нескольким техническим проблемам, в частности, потерям энергии, разрушению активного слоя анода и снижению характеристик безопасности. В результате существует необходимость в разработке путей по существу предотвращения разложения соплива
в то время, пока ЖТЭПД находится без нагрузки или без существенной нагрузки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает жидкостной топливный элемент для использования с жидким топливом, которое склонно претерпевать разложение на поверхности анода и образует газ в ходе такого разложения. Данный топливный элемент содержит катод, анод, электролитную камеру, которая расположена между катодом и анодом, топливную камеру, которая расположена на той стороне анода, которая противоположна стороне, обращенной к электролитной камере, и по меньшей мере одну мембрану, которая расположена на той стороне анода, которая обращена к топливной камере. Упомянутая по меньшей мере одна мембрана структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется в результате разложения топлива на или вблизи обращенной к топливной камере поверхности анода, накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой этот газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом и жидким топливом, когда жидкое топливо присутствует в топливной камере.
Согласно одному аспекту топливного элемента по настоящему изобретению топливо может содержать металлогидридное и/или боргидридное соединение, и/или газ может содержать водород.
В другом аспекте упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать единственный слой материала и/или упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать гидрофильный материал. Гидрофильный материал может содержать металл и/или металлический сплав. В качестве неограничивающего примера гидрофильный материал может содержать нержавеющую сталь.
В другом аспекте упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать гидрофобный материал, например, органический полимер, такой как, например, полиолефин (например, гомо- или сополимеры этилена и пропилена), полиамид и полиакрилонитрил.
В другом аспекте упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать один или более из нетканого материала, композиционного материала, слоистого материала,
композиционного/слоистого материала, пенистого материала, пористого бумажного материала, тканевого материала, углеродного материала (например, графита), спеченного металлического материала, керамического материала и полимерного материала.
В еще одном аспекте топливного элемента по настоящему изобретению упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать пену и/или сетку, например, микросетку из нержавеющей стали. Например, микросетка может содержать ячейки, которые имеют размер вплоть до примерно 0,5 мм, например, от примерно 0,06 мкм до примерно 0,05 мм. В еще одном аспекте упомянутая по меньшей мере одна мембрана (сетка) может иметь толщину от примерно 0,01 мм до примерно 5 мм, например, от примерно 0,03 мм до примерно 3 мм или от примерно 0,05 мм до примерно 0,3 мм.
В еще одном дополнительном аспекте упомянутая по меньшей мере одна мембрана может содержать полимерную сетку и/или пористый полимерный слой. Например, полимерная сетка или пористый полимерный слой могут иметь толщину от примерно 0,02 мм до примерно 2 мм и/или размер ячеек от примерно 0,01 мм до примерно 0,1 мм, или размер пор от примерно 0,01 мкм до примерно 0,1 мм.
В другом аспекте топливного элемента по настоящему изобретению упомянутая по меньшей мере одна мембрана может находиться в контакте с той поверхностью анода, которая обращена к топливной камере. Например, упомянутая по меньшей мере одна мембрана может быть прикреплена и/или связана с поверхностью анода (например, прикатана к аноду).
В другом аспекте топливный элемент может дополнительно содержать свободное пространство и/или структуру-разделитель, которая расположена между упомянутыми по меньшей мере одной мембраной и анодом. В качестве неограничивающего примера данная структура-разделитель может содержать материал-разделитель, имеющий внутри себя свободное пространство.
В одном аспекте структура-разделитель может содержать слой материала-разделителя, имеющий толщину вплоть до примерно 3 мм и/или, по меньшей мере, примерно 0,1 мм. Например, этот слой материала-разделителя может иметь толщину от примерно 0,5 мм до
примерно 1,5 мм.
В другом аспекте материал-разделитель может содержать гидрофобный материал (например, в сочетании с мембраной, которая содержит гидрофильный материал), такой как, например, полимерный материал. В качестве неограничивающего примера гидрофобный материал может содержать одно или более из олефинового гомополимера (например, полиэтилен, полипропилен, политетрафторэтилен), олефинового сополимера, АБС (сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола), полиметилметакрилата, поливинилхлорида и полисульфона.
В еще одном аспекте структура-разделитель может содержать сеть, такую как, например, плетеная сеть. Сеть может, например, содержать отверстия от примерно 1 мм до примерно 50 мм.
В еще одном дополнительном аспекте структура-разделитель может содержать, вместо материала-разделителя или в дополнение к материалу-разделителю, который имеет внутри себя свободное пространство, рамочное уплотнение, которое расположено на той поверхности анода, которая обращена к топливной камере. Рамочное уплотнение может содержать гидрофобный материал, например, полимер, такой как, например, фторированный полимер (например, политетрафторэтилен). Кроме того, рамочное уплотнение предпочтительно имеет толщину вплоть до примерно 0,1 мм, например, толщину от примерно 0,02 мм до примерно 0,С5 мм.
Особенно в случаях, когда упомянутая по меньшей мере одна мембрана не прикреплена или иным образом не контактирует с поверхностью анода, топливный элемент по настоящему изобретению может дополнительно содержать устройство сброса (ограничитель) давления, которое(ый) расположен таким образом, чтобы позволять газу выходить из пространства между анодом и упомянутой по меньшей мере одной мембраной. В одном аспекте устройство сброса давления может располагаться таким образом, чтобы позволять газу выходить в топливную камеру. В другом аспекте устройство сброса давления может содержать трубку небольшого диаметра.
В другом аспекте топливного элемента по настоящему изобретению по меньшей мере одна мембрана и структура-разделитель вместе могут образовывать объединенную структуру.
В еще одном аспекте топливный элемент может содержать, по меньшей мере, первую мембрану рядом с анодом и вторую мембрану на той стороне первой мембраны, которая обращена к топливной камере. По меньшей мере первая мембрана структурирована и расположена таким образом, чтобы позволять газу, который образуется на или вблизи обращенной к топливной камере поверхности анода, накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом и жидким топливом.
В одном аспекте вторая мембрана может быть структурирована и расположена таким образом, чтобы отфильтровывать твердые тела от жидкого топлива и/или предохранять первую мембрану. В другом аспекте первая мембрана и вторая мембрана могут образовывать объединенную структуру.
В еще одном аспекте вторая мембрана может содержать материал, который отличается от материала первой мембраны, и/или может иметь толщину, которая отличается от толщины первой мембраны, и/или может иметь размер пор или размер ячеек, который отличается от соответствующего размера в первой мембране.
В еще одном дополнительном аспекте вторая мембрана, может содержать материал, который является по существу таким же, как материал первой мембраны, и/или может иметь толщину, которая является по существу такой же, как толщина первой мембраны, и/или может иметь размер пор или размер ячеек, который является по существу таким же, как соответствующий размер в первой мембране.
Кроме присутствия по меньшей мере двух мембран, данный топливный элемент может быть таким же, как описанный выше топливный элемент, который имеет (по меньшей мере) одну мембрану. Например, по меньшей мере первая мембрана может содержать полимерную сетку или пористый полимерный слой, которая(ый) имеет толщину между примерно 0,02 мм и 2 мм и размер ячеек от примерно 0,01 мм до примерно 0,1 мм, или размер пор от примерно 0,01 мкм до примерно 0,1 мм, или же по меньшей
мере первая мембрана может содержать сетку из нержавеющей стали, имеющую толщину от примерно 0,01 мм до примерно 5 мм. Кроме того, первая мембрана может быть связана с и/или может находиться в контакте с поверхностью анода, которая обращена к топливной камере. Также топливный элемент может дополнительно содержать свободное пространство и/или структуру-разделитель, расположенные между первой мембраной и анодом. Данная структура-разделитель может быть такой же, как структура-разделитель, описанная выше, включая ее различные аспекты.
В другом аспекте топливного элемента по настоящему изобретению анод может быть закреплен внутри топливного элемента (кожуха) и/или может находиться в уплотняющем сцеплении с топливным элементом (кожухом).
В другом аспекте топливного элемента по настоящему изобретению топливная камера может содержать, по меньшей мере, первую часть, которая находится рядом с упомянутой по меньшей мере одной мембраной, и по меньшей мере одну вторую часть, которая соединяется с первой частью посредством одного или более из жидкостных проходов. Например, упомянутая по меньшей мере одна вторая часть топливной камеры может содержать (возможно, одноразовый) картридж жидкого топлива.
В еще одном дополнительном аспекте топливный элемент по настоящему изобретению может содержать кожух, внутри которого размещается, по меньшей мере, анод, причем по меньшей мере одна часть топливной камеры может быть расположена вне этого кожуха, и данный кожух может быть соединен с упомянутой по меньшей мере одной частью топливной камеры, которая расположена вне кожуха, посредством одного или более жидкостных проходов. По меньшей мере одна часть топливной камеры, которая расположена вне кожуха, может содержать (возможно, одноразовый) картридж. Например, в этом случае упомянутая по меньшей мере одна мембрана может быть расположена в одном или более из следующих местоположений: (а) в одном или более или вблизи одного или более мест кожуха, где жидкое топливо из упомянутой по меньшей мере одной части топливной камеры, которая расположена вне кожуха, может поступать в кожух, (Ь) в одном или более или
вблизи одного или более мест упомянутой по меньшей мере одной части топливной камеры, которая расположена вне кожуха, где жидкое топливо может покидать упомянутую по меньшей мере одну часть топливной камеры, которая расположена вне кожуха, и (с) в одном или более мест внутри одного или более жидкостных проходов.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ снижения или по существу предотвращения разложения топлива в жидкостном топливном элементе прямого действия на аноде данного топливного элемента, когда этот топливный элемент находится по существу без нагрузки, и при этом в результате разложения топлива образуется газ. Данный способ содержит принуждение газа, который образуется при первоначальном разложении топлива, образовывать барьер, который ограничивает или по существу предотвращает дальнейший контакт между топливом и анодом.
В одном аспекте этот барьер может содержать по существу непрерывный слой газа вдоль по существу всей поверхности анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента.
В другом аспекте газ может содержать водород, и/или топливо может содержать по меньшей мере одно из гидридного соединения и боргидридного соединения, например, боргидрид щелочного металла (например, натрия), который растворен и/или суспендирован в жидком носителе.
В еще одном аспекте данного способа разложение топлива может по существу останавливаться в пределах не более чем примерно 5 минут, например, не более чем примерно 3 минут, после того, как топливный элемент переведен в состояние по существу без нагрузки.
В еще одном дополнительном аспекте данный способ может содержать ограничение или по существу предотвращение возможности газа, который образуется при начальном разложении топлива, оттекать от анода. Это может осуществляться, например, с помощью по меньшей мере одной мембраны, которая расположена на той стороне анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ
снижения или по существу предотвращения разложения топлива на аноде жидкостного топливного элемента прямого действия, в котором используется топливо, которое образует газ, когда претерпевает упомянутое разложение. Данный способ содержит расположение, между топливной камерой топливного элемента и анодом, одной или более из по меньшей мере одной пористой структуры, по меньшей мере одной сетчатой структуры и по меньшей мере одной мембраны, и обеспечение возможности газу образовываться во время начального разложения топлива в топливном элементе, посредством чего данный газ ограничивает или по существу предотвращает контакт между топливом и анодом.
В одном аспекте образование газа может дополнительно содержать по существу предотвращение, с помощью данного газа, контакта топлива с анодом. В другом аспекте оно может дополнительно содержать образование по существу непрерывного слоя газа вдоль по существу всей поверхности анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента. В еще одном аспекте оно может содержать по существу удерживание данного газа между анодом и упомянутыми по меньшей мере одной пористой структурой, по меньшей мере одной сетчатой структурой и/или по меньшей мере одной мембраной.
В другом аспекте данного способа газ может содержать водород.
В еще одном аспекте данный способ может дополнительно содержать перевод топливного элемента в состояние по существу без нагрузки, вызывая разложение топлива.
В еще одном дополнительном аспекте данный способ может дополнительно содержать по существу остановку первоначального разложения топлива в пределах не более чем примерно 3 минут.
В другом аспекте данный способ может дополнительно содержать обеспечение пространства между анодом и упомянутыми по меньшей мере одной пористой структурой, по меньшей мере одной сетчатой структурой и/или по меньшей мере одной мембраной, причем данное пространство способно по существу заполняться данным газом.
Настоящее изобретение также предлагает способ
предотвращения или снижения разложения топлива в описанном выше топливном элементе, включая его различные аспекты. Данный способ содержит генерацию электрической энергии топливным элементом, по существу предотвращение дальнейшей генерации электрической энергии топливным элементом, посредством чего вызывается разложение топлива на аноде этого топливного элемента с образованием газа; и (а) содействие с помощью упомянутой по меньшей мере одной мембраны накоплению рядом с анодом образовавшегося на аноде газа, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ ограничивает или по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом; или (Ь) принуждение образовавшегося на аноде газа накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом; или (с) обеспечение возможности образовавшемуся на аноде газу накапливаться между по меньшей мере одной мембраной и анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом.
Данное изобретение также предлагает топливный элемент, который содержит катод, анод и электролитную камеру, которая расположена между катодом и анодом. К корпусу (кожуху) топливного элемента с катодом, анодом и электролитной камерой может быть присоединен и/или съемным образом присоединен картридж, содержащий топливную камеру. Когда этот картридж соединен с корпусом, топливная камера расположена на стороне анода, которая противоположна той стороне, которая обращена к электролитной камере. Между пространством накопления газа рядом с анодом и топливной камерой может быть расположена по меньшей мере одна мембрана (и, возможно, также материал-разделитель). Эта по меньшей мере одна мембрана структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется в результате разложения топлива на или вблизи обращенной к топливной камере поверхности анода, накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой этот газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом и жидким топливом.
Другие иллюстративные варианты воплощения и преимущества настоящего изобретения можно выяснить путем изучения настоящего описания и сопровождающих чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение дополнительно описывается в последующем подробном описании со ссылкой на указанное множество чертежей в виде неограничивающих примеров иллюстративных вариантов воплощения настоящего изобретения, на которых сходные ссылочные позиции обозначают сходные части на всех нескольких видах этих чертежей и на которых:
Фиг. 1 показывает схематичный вид в сечении известного из уровня техники топливного элемента;
Фиг.2 показывает сечение топливного элемента согласно одному варианту воплощения изобретения;
Фиг.З показывает увеличенную часть фиг.2;
Фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий производство водорода в топливном элементе того типа, который показан на фиг.1;
Фиг.5 представляет собой график, иллюстрирующий производство водорода в топливном элементе того типа, который показан на фиг.2;
Фиг. 6 показывает частичный вид одного неограничивающего узора ткани плетеного материала-разделителя;
Фиг. 7 показывает частичный вид другого неограничивающего узора ткани плетеного материала-разделителя;
Фиг.8 показывает сечение топливного элемента согласно другому варианту воплощения изобретения;
Фиг.9 показывает сечение топливного элемента согласно еще одному варианту воплощения изобретения;
Фиг.10 показывает сечение топливного элемента согласно еще одному варианту воплощения изобретения;
Фиг.11 показывает сечение топливного элемента согласно еще одному варианту воплощения изобретения. В данном варианте воплощения используется картридж, содержащий топливную камеру (или, по меньшей мере, некоторую ее часть), которая может быть присоединена и/или удаляемым образом прикреплена к корпусу
топливного элемента;
Фиг.12 показывает увеличенный вид варианта воплощения, показанного на фиг.11, и иллюстрирует то, как мембрана и/или материал-разделитель могут иметь форму небольшого сетчатого элемента-фильтра. Эта фигура также иллюстрирует то, как трубки картриджа уплотняются относительно отверстий в стенке корпуса посредством уплотнительных колец; и
Фиг.13 показывает сечение топливного элемента согласно варианту воплощения по фиг.11 с картриджем, отделенным и/или не соединенным с корпусом топливного элемента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Показанные здесь подробности даны только в качестве примеров и для целей иллюстрирующего обсуждения вариантов воплощения настоящего изобретения и приведены с целью представления того, что считается наиболее удобным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов настоящего изобретения. В этом отношении не делается попыток показать конструктивные особенности настоящего изобретения в больших подробностях, чем это необходимо для фундаментального понимания настоящего изобретения, причем данное описание, взятое с чертежами, делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как некоторые формы настоящего изобретения могут быть воплощены на практике.
Как показано на фиг.1, в обычном ЖТЭПД используется кожух или контейнер 1, который содержит внутри себя топливную камеру 2 и электролитную камеру 5. Кожух 1 обычно образован из, например, пластмассового материала. Топливная камера 2 содержит жидкое топливо в виде, например, гидридного или боргидридного топлива. Электролитная камера 5 содержит жидкий электролит в виде, например, водного раствора гидроксида щелочного металла. Анод 3 располагается внутри кожуха 1 и разделяет эти две камеры 2 и 5. Анод 3 будет обычно содержать пористый материал, который является проницаемым для газообразных и жидких веществ. Катод 4 также располагается в кожухе 1 и вместе с анодом 3 ограничивает электролитную камеру 5. На аноде 3 происходит окисление жидкого топлива. На катоде 4 восстанавливается некоторое вещество, в
типичном случае - кислород окружающего воздуха.
Как показано на фиг.2, ЖТЭПД согласно по меньшей мере одному неограничивающему варианту воплощения изобретения отличается от топливного элемента, показанного на фиг.1, по меньшей мере тем, что он дополнительно содержит расположенные внутри кожуха 1 рамочное уплотнение 6, специальную мембрану 8, материал-разделитель 9 и необязательное устройство стравливания давления, имеющее форму, например, капиллярной иглы 7.
В ЖТЭПД согласно изобретению образующийся газ, обычно водород и обычно в форме микропузырьков размером от примерно 0,01 до примерно 2 мм, накапливается в пространстве между поверхностью анода 3 и специальной мембраной 8. Пузырьки будут обычно коалесцировать и/или объединяться, образуя слой газа, который заполняет по существу весь объем между анодом 3 и специальной мембраной 8. Это, в свою очередь, заставляет жидкое топливо отделяться от анода 3. Специальная мембрана 8 по существу предотвращает любой дальнейший контакт между жидким топливом и анодом 3. Пространство между анодом 3 и мембраной 8 будет обычно толщиной от примерно 0,1 мм до примерно 3,0 мм, а предпочтительно имеет толщину от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм, а наиболее предпочтительно - примерно 0,5 мм.
Любой избыточный газ, который превышает объем пространства между анодом 3 и специальной мембраной 8, выходит или стравливается в топливную камеру 2 через необязательную капиллярную иглу 7. Этот процесс стравливания останавливается по существу автоматически, когда давление в объеме между анодом 3 и специальной мембраной 8 уравнивается с давлением в топливной камере 2.
Рамочное уплотнение б проходит по периметру анода 3 и располагается между анодом 3 и специальной мембраной 8. Рамочное уплотнение б предпочтительно имеет форму тонкой (не пористой) пленки и используется для того, чтобы предотвращать утечку топлива в области границ или внешних кромок периметра анода. Материал рамочного уплотнения б будет обычно гидрофобным (по меньшей мере, на той его поверхности, которая обращена к топливной камере) и может состоять из такого материала, как,
например, политетрафторэтилен, хотя для этой цели могут также использоваться и другие гидрофобные материалы, такие как, например, олефиновые полимеры типа полиэтилена и полипропилена. Обычно рамочное уплотнение 3 будет изготавливаться из фторированного полимера или, по меньшей мере, включать в себя фторированный полимер, такой как, например, фторированный или перфорированный полиолефин. Следует отметить, что рамочное уплотнение 6 также может изготавливаться из материала, который сам по себе не является гидрофобным, но был сделан гидрофобным на его поверхности посредством, например, покрытия гидрофобным материалом или посредством любой другой процедуры, которая придает гидрофобность. Предпочтительно, рамочное уплотнение б имеет толщину не более чем примерно 0,1 мм. Обычно оно будет иметь толщину, по меньшей мере, примерно 0,02 мм. Толщина в примерно 0,05 мм является особенно предпочтительной для рамочного уплотнения 6, предназначенного для использования в настоящем изобретении. Рамочное уплотнение б может устанавливаться на аноде 3 многими способами, например, с приложением давления и/или путем использования клея. Предпочтительный способ установки рамочного уплотнения 6 содержит заливку. Рамочное уплотнение б также может быть заменено закреплением и/или плотным присоединением проходящей по периметру рамки анода 3 к аноду 3 путем, например, сварки трением.
Материал-разделитель 9 располагается между анодом 3 и специальной мембраной 8. Материал-разделитель 9 также проходит до внутреннего периметра кожуха 1 и в области периметра также располагается между рамочным уплотнением 6 и специальной мембраной 8. Назначение материала-разделителя 9 состоит в создании разделительного расстояния между специальной мембраной 8 и поверхностью анода 3. Это разделительное расстояние образует пространство или объем для слоя газа. По мере образования газа он накапливается внутри этого пространства и заполняет его. Материал-разделитель 9 будет допускать по существу свободное протекание газа вдоль по поверхности анода 3 и может быть в форме сетки, такой как, например, плетеный
сетчатый материал. Материал-разделитель 9 должен быть способным противостоять химическому воздействию компонентов жидкого топлива и будет обычно являться гидрофобным, по меньшей мере, на его внешних поверхностях. Другими словами, материал-разделитель 9 также может быть гидрофильным материалом, который был сделан гидрофобным на его других поверхностях посредством любого процесса, пригодного для данной цели, такого как, например, покрытие гидрофобным материалом. Предпочтительные материалы-разделители для использования в настоящем изобретении включают в себя органические полимеры, такие как, например, олефиновые гомополимеры и олефиновые сополимеры. Их конкретные примеры включают в себя материалы, которые также могут использоваться для рамочного уплотнения 6, такие как, например, гомо- и сополимеры этилена и пропилена, политетрафторэтилен и им подобные. Материал-разделитель 9 также может изготавливаться из других материалов, таких как, например, АБС, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полисульфон и подобные им органические полимеры. Материал-разделитель 9 будет обычно иметь толщину не более чем примерно 5 мм, предпочтительно - не более чем примерно 3 мм, чаще - толщину не более чем примерно 1,5 мм. Материал-разделитель 9 будет обычно иметь толщину, по меньшей мере, примерно 0,1 мм, предпочтительно - по меньшей мере, примерно 0,5 мм. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения материал-разделитель 9 имеет толщину примерно 0,5 мм. Конечно, можно также обойтись и без материала-разделителя 9 (его функция выполняется другой структурой и/или самой специальной мембраной 8), как это имеет место в случае других вариантов воплощения, которые будут описаны ниже. Как указано выше, то же применимо к рамочному уплотнению 6.
Как объясняется выше, специальная мембрана 8 отделяет слой газа, который образовался на поверхности анода, от жидкого топлива в топливной камере 2. Специальная мембрана 8 изготавливается из материала, который может противостоять химическому воздействию компонентов жидкого топлива и не будет катализировать разложение топлива или его компонентов в какой-либо заметной степени. Данный материал может быть гидрофильным
или гидрофобным. Гидрофильный материал также может быть гидрофобным материалом, который был сделан гидрофильным на его внешней поверхности посредством любого подходящего способа, такого как покрытие, обработка поверхности (например, окисление) и тому подобное. Предпочтительные неограничивающие примеры подходящих гидрофильных материалов для специальной мембраны 8 включают в себя металлы как таковые или в виде сплавов. Конкретные предпочтительные материалы включают в себя устойчивые к коррозии металлы (например, никель) и устойчивые к коррозии сплавы, как сталь, в частности, нержавеющая сталь и др.
Предпочтительные неограничивающие примеры подходящих гидрофобных материалов для специальной мембраны 8 включают в себя органические полимеры, такие как, например, полиолефины (например, гомо- и сополимеры, например, этилена или пропилена), полиамиды и полиакрилонитрилы. Гидрофильный или гидрофобный материал предпочтительно присутствует в форме пены, сетки и тому подобного.
В качестве неограничивающего примера, специальная мембрана 8 может представлять собой или, по меньшей мере, включать в себя металлическую сетку, такую как, например, микросетка из нержавеющей стали. Ячейки этой сетки могут, например, иметь размер вплоть до примерно 0,5 мм, например, вплоть до примерно 0,1 мм или вплоть до примерно 0,06 мм. Предпочтительный размер ячеек сетки составляет от примерно 0,05 мкм до примерно 0,06 мм, причем размер примерно 0,05 мм особенно предпочтителен. Металлическая сетка предпочтительно имеет толщину от примерно 0,01 мм до примерно 5 мм, например, от примерно 0,03 мм до примерно 3 мм.
Другие неограничивающие примеры специальной мембраны 8 включают в себя полимерную сетку или пористый полимерный слой. Предпочтительно, полимерная сетка или пористый полимерный слой будет иметь толщину от примерно 0,02 мм до примерно 2 мм. Размер ячеек или размер пор в ней или в нем будет предпочтительно составлять от примерно 0,01 мм до примерно 0,1 мм и от примерно 0,01 мкм до примерно 0,1 мм соответственно.
Мембрана 8 может также содержать другие гидрофильные: и/или гидрофобные материалы, например, композиты и/или ламинаты гидрофильных материалов, гидрофобных материалов и комбинаций гидрофильных и гидрофобных материалов. Мембрана 8 также может содержать, например, нетканые материалы, пенистые материалы (полимерные или металлические) и другие пористые материалы, такие как пористые бумаги, ткани и углерод (например, в форме графита), спеченные металлы и керамические материалы.
Капиллярная игла 7 прикреплена к специальной мембране 8 и может располагаться на ней в удобном положении, таком как, например, расположенное в центре (и, предпочтительно, по существу перпендикулярно мембране 8). Как объясняется выше, назначение иглы 7 заключается в уравнивании давления между газовым слоем и жидким топливом в топливной камере 2. Диапазон уравненного давления обычно составляет от примерно 1 атм до примерно 1,5 атм (абсолютных). Игла 7 изготавливается из материала, который может противостоять химическому воздействию компонентов жидкого топлива и не катализирует его разложение в какой-либо заметной степени. Это материал будет обычно выбираться из материалов, которые подходят для изготовления специальной мембраны 8, но также может изготавливаться из других материалов, например, полимерных материалов. Неограничивающие примеры полимерных материалов включают в себя полиолефины, такие как политетрафторэтилен и полипропилен. Игла 7 предпочтительно представляет собой иглу из нержавеющей стали. Хотя подходящая длина иглы 7 может варьироваться в широком диапазоне (в зависимости, отчасти, от размеров разделителя 9, мембраны 8 и т.д.), игла 7 будет часто иметь длину вплоть до примерно 2 см или даже длиннее. Внутренний диаметр иглы 7 обычно не будет превышать примерно 2 мм, предпочтительно - не будет превышать примерно 1 мм или не будет превышать примерно 0,5 мм. Игла 7 может быть прикреплена к мембране 8 с помощью любого подходящего способа, например, путем использования термоклея, сварки и механического присоединения (последнее является предпочтительным способом). Конечно, игла 7 не существенна для работы топливного элемента по настоящему
изобретению, и поэтому можно также обойтись и без нее, как в случае других вариантов воплощения, которые будут описаны ниже.
Фиг. 8 показывает другой неограничивающий вариант воплощения топливного элемента по настоящему изобретению, который отличается от топливного элемента, показанного на фиг.1, по меньшей мере тем, что он дополнительно содержит расположенные внутри кожуха 1 анод 3, имеющий рамку, специальную мембрану 8а, необязательную вторую мембрану 8Ь и необязательный материал-разделитель 9. Данный вариант воплощения устраняет необходимость в рамочном уплотнении 6 и также не содержит капиллярной иглы 7. Проходящая по периметру рамка анода 3 может фиксироваться к аноду 3 путем, например, сварки трением. Материалы и толщины устройств 3, 4, 9, 8а и 8Ь могут быть такими же, как для соответствующих устройств, описанных выше в отношении варианта воплощения, показанного на фиг.2. Мембраны 8а и 8Ь могут быть из того же материала, тех же типов и/или толщин, как и описанные выше, или могут отличаться в любом одном или более из этих отношений.
Фиг. 9 показывает другой неограничивающий вариант воплощения топливного элемент по настоящему изобретению, который отличается от топливного элемента, показанного на фиг.1, по меньшей мере тем, что он дополнительно содержит расположенные внутри кожуха 1 анод 3, специальную мембрану 8а, необязательную вторую мембрану 8Ь, необязательный материал-разделитель 9 и необязательное рамочное уплотнение 6. Данный вариант воплощения не содержит капиллярной иглы 7. Материалы и толщины устройств 3, 4, б, 9, 8а и 8Ь могут быть такими же, как для соответствующих устройств, описанных выше в отношении варианта воплощения, показанного на фиг.2. Мембраны 8а и 8Ь могут быть из того же материала, тех же типов и/или толщин, как и описанные выше, или могут отличаться в любом одном или более из этих отношений.
Фиг.10 показывает другой неограничивающий вариант воплощения топливного элемент по настоящему изобретению, который отличается от топливного элемента, показанного на фиг.1, по меньшей мере тем, что он дополнительно содержит
расположенные внутри кожуха 1 анод 3 и специальную мембрану 8а и необязательную вторую мембрану 8Ь. Данный вариант воплощения устраняет необходимость в материале-разделителе 9 и рамочном уплотнении б и также не содержит капиллярной иглы 7. Материалы и толщины устройств 3, 4, 8а и 8Ь могут быть такими же, как для соответствующих устройств, описанных выше в отношении варианта воплощения, показанного на фиг.2. Мембраны 8а и 8Ь могут быть из того же материала, тех же типов и/или толщин, как и описанные выше, или могут отличаться в любом одном или более из этих отношений. В данном варианте воплощения мембрана 8а предпочтительно находится в контакте с анодом 3. В качестве неограничивающего примера, мембрана 8а может прокатываться или иным образом прикрепляться или связываться с поверхностью анода 3. В данном случае пустоты и/или свободное пространство в мембране 8а обеспечивают пустое пространство, которое может быть занято образующимся газом, образуя тем самым барьер, который по существу предотвращает контактирование топлива с анодом.
Особенно в тех вариантах воплощения, в которых используется больше чем одна специальная мембрана 8а, например, две мембраны 8а и 8Ь, первая мембрана 8а может функционировать описанным выше образом в отношении пространства и/или материала-разделителя, тогда как вторая мембрана 8Ь может выполнять другую функцию, например, отфильтровать твердые тела и тому подобное от топлива в топливной камере 2 с тем, чтобы предохранять первую мембрану 8а и/или по существу предотвращать ее засорение.
Специалисты в данной области техники поймут, что не каждый из различных компонентов топливного элемента по настоящему изобретению должен присутствовать в виде единственного компонента, а также не должен располагаться полностью внутри единственного кожуха. В качестве неограничивающего примера, топливная камера 2 может содержать одну часть, которая находится рядом с упомянутой по меньшей мере одной мембраной 8 (например, рядом с мембраной 8а) , и одну или более других частей (например, один или более картриджей), которые
располагаются вне корпуса или кожуха топливного элемента и соединяются с этим кожухом посредством одного или более жидкостных проходов. Объем той части топливной камеры, которая располагается внутри кожуха, если это имеет место, может быть небольшим по сравнению с объемом одной или более частей, которые располагаются вне кожуха (например, не более чем примерно 20%, например, не более чем примерно 10%, не более чем примерно 5% или не более чем примерно 2% от последнего объема). Кроме того, топливная камера 2 может располагаться по существу полностью вне кожуха и может соединяться с кожухом посредством одного или более жидкостных проходов (например, в виде трубок небольшого диаметра и тому подобного). В качестве неограничивающего примера, топливная камера может быть выполнена в виде (возможно одноразового) картриджа, который соединяется с кожухом. Типичные способы соединения картриджа с кожухом раскрыты, например, в совместно поданных заявках США №№ 10/824443 и 10/849503, полные раскрытия которых явным образом включены сюда посредством ссылки.
В данном случае упомянутая по меньшей мере одна мембрана 8 может содержаться в кожухе (например, в или вблизи одной или более точек, где жидкое топливо может поступать в кожух) и/или может содержаться в топливной камере 2 (например, картридже) (например, в или вблизи одной или более точек, где жидкое топливо может покидать топливную камеру 2), и/или может располагаться где-то между кожухом и топливной камерой 2 (например, внутри одного или более жидкостных проходов, которые соединяют топливную камеру 2 и кожух). Конечно, в данном случае особенности, касающиеся различных компонентов топливной камеры, могут быть такими же, как и описанные выше. Например, упомянутая по меньшей мере одна мембрана 8 может содержать, по меньшей мере, первую мембрану 8а и вторую мембрану 8Ь.
Фиг.11-13 показывают один неограничивающий вариант воплощения топливного элемента 1, имеющего катод 4, анод 3, электролитную камеру 5, которая располагается между катодом 4 и анодом 3. Картридж СА, имеющий топливную камеру 2, соединяется и/или съемным образом соединяется с корпусом топливного
элемента, имеющего катод 4, анод 3 и электролитную камеру 5. Когда картридж СА соединен с корпусом (фиг.11), топливная камера 2 расположена на той стороне анода 3, которая противоположна стороне, обращенной к электролитной камере 5. По меньшей мере одна мембрана 8 располагается между пространством накопления газа рядом с анодом 3 и топливной камерой 2. В качестве неограничивающего примера, ширина данного пространства может составлять приблизительно 1 мм, но может быть заметно больше или меньше. Упомянутая по меньшей мере одна мембрана 8 структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется в результате разложения топлива на или вблизи поверхности анода 3, которая обращена к топливной камере 2, накапливаться рядом с анодом 3, по меньшей мере, до точки, при которой этот газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом 3 и жидким топливом в топливной камере 2. Как видно из фиг.12, мембрана 8 (которая также может включать в себя дополнительный слой материала-разделителя 9) может иметь форму небольшого сетчатого элемента-фильтра, который присоединен к внутренней поверхности стенки корпуса. Конечно, без выхода за рамки объема изобретения этот элемент-фильтр также может быть расположен на противоположном конце трубок так, чтобы располагаться в картридже СА. Кроме того, элемент-фильтр может располагаться на обеих сторонах трубок. Также внутренность трубок может содержать мембранный материал-разделитель, который может иметь форму сигаретного фильтра достаточной длины. Как можно видеть на фиг.13, трубки (число и размеры которых могут меняться по желанию и могут быть сходными с описанными в отношении трубки 7) картриджа СА уплотняются относительно отверстий в стенке корпуса с помощью одного или более уплотнительных колец. Конечно, при обеспечении уплотнения между трубками и отверстиями в стенке корпуса может также применяться любое число технологий и способов уплотнения. Также предполагается, что трубки могут вместо этого быть связаны с корпусом топливного элемента, тогда как отверстия располагаются в стенке картриджа СА. Фиг.13 показывает картридж СА, отделенный от корпуса и/или не соединенный с корпусом
топливного элемента 1. Хотя они и не показаны, могут использоваться клапаны для того, чтобы останавливать и/или регулировать поток из картриджа и к картриджу СА и корпусу топливного элемента 1.
В качестве неограничивающего объяснения, когда топливный элемент находится или переведен в состояние без или по существу без нагрузки, жидкое топливо будет первоначально разлагаться и образовывать газ (например, водород) вблизи анода 3, тем самым отталкивая остальное жидкое топливо от анода 3 и предотвращая его контакт с анодом 3, что, в свою очередь, прекращает образование газа. Когда после этого топливный элемент переводится под нагрузку (замкнутая электрическая цепь), данный газ будет расходоваться путем окисления на поверхности анода, создавая тем самым вакуум, который засасывает жидкое топливо обратно и приводит его в непосредственный контакт с поверхностью анода 3, где оно будет окисляться с генерацией электрической энергии. Когда цепь снова размыкается (нагрузки нет) , газ будет сначала образовываться за счет разложения жидкого топлива, и вышеописанный процесс начнется сначала.
Пример 1
Обычный ЖТЭПД того типа, который показан на фиг.1, со следующими параметрами использовали для проведения испытаний: Площадь анода и катода=каждая 45 см2 (62 мм*73 мм); Толщина или ширина электролитной камеры=4 мм; Объем электролита в электролитной камере=18 см3; Толщина или ширина топливной камеры=20 мм; и Объем топлива в топливной камере=90 см3.
ЖТЭПД заполняли боргидридным топливом и испытывали при следующих условиях:
Полное время испытания=20 часов; Режим без нагрузки=разомкнутая цепь.
В данном испытании максимальная производительность по газу составляла 15 см3/мин. Как видно из фиг.4, образование водорода начинает уменьшаться после примерно 60 минут, но продолжается на протяжении всех 20 часов этого испытания.
Пример 2
ЖТЭПД согласно настоящему изобретению того типа, который показан на фиг.2, со следующими параметрами использовали для проведения испытания:
Площадь анода и катода=каждая 45 см2 (62 мм*73 мм);
Толщина или ширина электролитной камеры=4 мм;
Объем электролита в электролитной камере=18 см ;
Толщина или ширина топливной камеры=2 0 мм;
Объем топлива в топливной камере=90 см3;
Толщина рамочного уплотнения из тонкой пленки тефлона=50 мкм;
Длина капиллярной иглы из нержавеющей стали=7 мм, внутренний диаметр=320 мкм;
Специальная микросетчатая мембрана из нержавеющей стали с ячейками=53 мкм; и
Полипропиленовый плетеный сетчатый материал-разделитель с ячейками 2 мм*3 мм и с толщиной=1 мм.
ЖТЭПД заполняли боргидридным топливом и испытывали при следующих условиях:
Полное время испытания=20 часов;
Режим без нагрузки=разомкнутая цепь.
В данном испытании время до заполнения пространства между анодом 3 и специальной мембраной 8 составило 4 5 секунд. Как видно из фиг.5, образование водорода начало уменьшаться после примерно 4 5 секунд и остановилось после примерно 3 минут, т.е. разложение топлива остановилось после примерно 3 минут.
Следует заметить, что примерные и предпочтительные размеры различных описанных выше элементов ЖТЭПД применяются, в частности, к топливным элементам для портативных устройств, например, к топливным элементам, которые имеют размеры с порядком величины, который подходит для портативных устройств (например, переносных компактных компьютеров, сотовых телефонов и др.). Примеры соответствующих размеров даны здесь в примерах. Для топливных элементов, которые значительно меньше или больше, чем те, которые подходят для портативных устройств, приведенные здесь предпочтительные размеры могут не всегда приводить к желаемому результату в самой полной возможной степени.
Специалисты в данной области техники, однако, смогут легко установить наиболее подходящие размеры для любого данного размера топливного элемент.
Используемый здесь термин "гидрофильный" материал означает материал, который имеет сродство к воде. Этот термин охватывает материалы, которые могут смачиваться, имеют высокую величину поверхностного натяжения и имеют тенденцию образовывать водородные связи с водой. Он также охватывает материалы, которые имеют высокую проницаемость водных паров.
Используемый здесь термин "гидрофобный" материал означает материал, который отталкивает воду. Этот термин охватывает материалы, которые позволяют газу проходить через них, но по существу предотвращают протекание через них воды и подобных протонных и/или полярных жидкостей.
Отмечается, что вышеуказанные примеры были представлены только с целью объяснения и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение:. Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты воплощения, понятно, что те понятия, которые были использованы, представляют собой понятия для описания и иллюстрации, а не понятия для ограничения. Могут быть сделаны изменения в рамках сферы действия прилагаемой формулы изобретения, как составленной в настоящее время, так и уточненной, без отступления от сущности и объема настоящего изобретения в его аспектах. Хотя изобретение было описано здесь со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты воплощения, изобретение не считается ограниченным раскрытыми здесь особенностями. Напротив, изобретение распространяется на все такие функционально эквивалентные структуры, способы и применения, которые находятся в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Жидкостной топливный элемент прямого действия для использования с жидким топливом, которое склонно претерпевать разложение с образованием газа, содержащий:
катод; анод;
электролитную камеру, расположенную между катодом и анодом;
топливную камеру, расположенную на той стороне анода, которая противоположна стороне, обращенной к электролитной камере; и
по меньшей мере одну мембрану, расположенную на той стороне анода, которая обращена к топливной камере,
причем упомянутая по меньшей мере одна мембрана структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется на или вблизи обращенной к топливной камере поверхности анода, накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом и жидким топливом из топливной камеры.
2. Топливный элемент по пункту 1, в котором газ содержит водород.
3. Топливный элемент по любому из пунктов 1 и 2, в котором топливо содержит одно или более из металлогидридного соединения и боргидридного соединения металла.
4. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 3, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит единственный слой материала.
5. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 4, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит гидрофильный материал.
6. Топливный элемент по пункту 5, в котором гидрофильный материал содержит одно или более из металла и металлического сплава.
7. Топливный элемент по пункту б, в котором гидрофильный материал содержит нержавеющую сталь.
8. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 7, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит гидрофобный материал.
9. Топливный элемент по пункту 8, в котором гидрофобный материал содержит органический полимер.
10. Топливный элемент по пункту 8, в котором гидрофобный материал содержит одно или более из полиолефина, полиамида и полиакрилонитрила.
11. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 10, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит одно или более из нетканого материала, композиционного материала, слоистого материала, композиционного/слоистого материала, пенистого материала, пористого бумажного материала, тканого материала, углеродного/графитового материала, спеченного металлического материала, керамического материала и полимерного материала.
12. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 11, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит одно или более из сетки и пены.
13. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 12, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит микросетку из нержавеющей стали.
14. Топливный элемент по пункту 13, в котором микросетка содержит ячейки, имеющие размер вплоть до примерно 0,5 мм:.
15. Топливный элемент по пункту 14, в котором ячейки имеют размер от примерно.0,06 мкм до примерно 0,05 мм.
16. Топливный элемент по любому из пунктов с 13 по 15, в котором сетка имеет толщину от примерно 0,01 мм до примерно 5 мм.
17. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 16, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит одно или более из полимерной сетки и пористого полимерного слоя.
18. Топливный элемент по пункту 18, в котором полимерная сетка или пористый полимерный слой имеет толщину от примерно 0,02 мм до примерно 2 мм.
19. Топливный элемент по любому из пунктов 17 и 18, в
котором полимерная сетка имеет размер ячеек от примерно 0,01 мм до примерно 0,1 мм, а пористый полимерный слой имеет размер ячеек от примерно 0,01 мкм до примерно 0,1 мм.
20. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 19, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана находится в контакте с той поверхностью анода, которая обращена к топливной камере.
21. Топливный элемент по пункту 20, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана является по меньшей мере одной или более из прикрепленной к поверхности анода и связанной с поверхностью анода.
22. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 19, причем этот топливный элемент дополнительно содержит одно или более из свободного пространства и структуры-разделителя, расположенных между упомянутыми по меньшей мере одной мембраной и анодом.
23. Топливный элемент по пункту 22, причем этот топливный элемент содержит структуру-разделитель, состоящую из материала-разделителя, имеющего внутри себя свободное пространство.
24. Топливный элемент по пункту 23, в котором структура-разделитель содержит слой материала-разделителя, имеющий толщину вплоть до примерно 3 мм.
25. Топливный элемент по пункту 24, в котором слой материала-разделителя имеет толщину, по меньшей мере, примерно 0,1 мм.
26. Топливный элемент по пункту 25, в котором слой материала-разделителя имеет толщину от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм.
27. Топливный элемент по любому из пунктов с 23 по 2 6, в котором материал-разделитель содержит гидрофобный материал.
28. Топливный элемент по пункту 27, в котором гидрофобный материал содержит полимерный материал.
29. Топливный элемент по пункту 27, в котором гидрофобный материал содержит одно или более из олефинового гомополимера, олефинового сополимера, АБС, полиметилметакрилата, поливинилхлорида и полисульфона.
30. Топливный элемент по пункту 29, в котором гидрофобный материал содержит одно или более из полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена и АБС.
31. Топливный элемент по любому из пунктов с 27 по 30, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана содержит гидрофильный материал.
32. Топливный элемент по любому из пунктов с 23 по 31, в котором структура-разделитель содержит сеть.
33. Топливный элемент по пункту 32, в котором сеть содержит плетеную сеть.
34. Топливный элемент по любому из пунктов 32 и 33, в котором сеть содержит отверстия от примерно 1 мм до примерно 50 мм.
35. Топливный элемент по любому из пунктов с 21 по 34, причем этот топливный элемент содержит структуру-разделитель, образованную рамочным уплотнением, которое расположено на той поверхности анода, которая обращена к топливной камере.
36. Топливный элемент по пункту 35, в котором рамочное уплотнение содержит гидрофобный материал.
37. Топливный элемент по пункту 36, в котором гидрофобный материал содержит полимер.
38. Топливный элемент по пункту 37, в котором полимер содержит фторированный полимер.
39. Топливный элемент по любому из пунктов с 35 по 38, в котором рамочное уплотнение имеет толщину вплоть до примерно 0,1 мм.
40. Топливный элемент по пункту 39, в котором рамочное уплотнение имеет толщину от примерно 0,02 мм до примерно 0,05 мм.
41. Топливный элемент по пункту 23, в котором структура-разделитель содержит как материал-разделитель, имеющий внутри себя свободное пространство, так и рамочное уплотнение, которое расположено на той поверхности анода, которая обращена к топливной камере.
42. Топливный элемент по любому из пунктов с 22 по 41, причем этот топливный элемент дополнительно содержит устройство
сброса давления, которое расположено так, чтобы позволять упомянутому газу выходить из пространства между анодом и упомянутой по меньшей мере одной мембраной.
43. Топливный элемент по пункту 42, в котором устройство сброса давления расположено так, чтобы позволять упомянутому газу выходить в топливную камеру.
44. Топливный элемент по любому из пунктов 42 и 43, в котором устройство сброса давления содержит трубку.
45. Топливный элемент по любому из пунктов с 2 3 по 44, в котором упомянутые по меньшей мере одна мембрана и структура-разделитель образуют объединенную структуру.
46. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 45, причем этот топливный элемент содержит, по меньшей мере, первую мембрану рядом с анодом и вторую мембрану на той стороне первой мембраны, которая обращена к топливной камере, причем по меньшей мере первая мембрана структурирована и расположена так, чтобы позволять газу, который образуется на или вблизи обращенной к топливной камере поверхности анода, накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает непосредственный контакт между анодом и жидким топливом.
47. Топливный элемент по пункту 4 6, в котором вторая мембрана структурирована и расположена так, чтобы отфильтровывать твердые тела от жидкого топлива, предохранять первую мембрану или выполнять обе эти функции.
48. Топливный элемент по любому из пунктов 4 6 и 47, в котором первая мембрана и вторая мембрана образуют объединенную структуру.
49. Топливный элемент по любому из пунктов с 4 6 по 48, в котором вторая мембрана имеет одно или более из материала, который отличается от материала первой мембраны, толщины, которая отличается от толщины первой мембраны, и размера пор или размера ячеек, который отличается от соответствующего размера в первой мембране.
50. Топливный элемент по любому из пунктов с 4 6 по 4 9, в котором вторая мембрана имеет одно или более из материала,
который является по существу таким же, как материал первой мембраны, толщины, которая является по существу такой же, как толщина первой мембраны, и размера пор или размера ячеек, который является по существу таким же, как соответствующий размер в первой мембране.
51. Топливный элемент по любому из пунктов с 4 6 по 50, в котором по меньшей мере первая мембрана содержит полимерную сетку или пористый полимерный слой, имеющие толщину между примерно 0,02 мм и 2 мм и размер ячеек от примерно 0,01 мм до примерно 0,1 мм или размер пор от примерно 0,01 мкм до примерно 0,1 мм.
52. Топливный элемент по любому из пунктов с 46 по 51, в котором по меньшей мере первая мембрана содержит сетку из нержавеющей стали, имеющую толщину от примерно 0,01 мм до примерно 5 мм.
53. Топливный элемент по любому из пунктов с 4 6 по 52, в котором первая мембрана является одной или более из связанной с и находящейся в контакте с той поверхностью анода, которая обращена к топливной камере.
54. Топливный элемент по любому из пунктов с 46 по 52, причем этот топливный элемент дополнительно содержит одно или более из свободного пространства и структуры-разделителя, расположенных между первой мембраной и анодом.
55. Топливный элемент по пункту 54, причем этот топливный элемент содержит структуру-разделитель, состоящую из материала-разделителя, имеющего внутри себя свободное пространство.
56. Топливный элемент по пункту 55, в котором материал-разделитель содержит гидрофобный материал.
57. Топливный элемент по любому из пунктов 55 и 56, в котором структура-разделитель содержит плетеную сеть.
58. Топливный элемент по любому из пунктов с 55 по 57, в котором структура-разделитель содержит рамочное уплотнение, которое расположено на той поверхности анода, которая обращена к топливной камере.
59. Топливный элемент по пункту 58, в котором рамочное уплотнение имеет толщину от примерно 0,02 мм до примерно
0,05 мм.
60. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 59, в котором анод является одним или более из закрепленного внутри кожуха топливного элемента и находящегося в уплотняющем сцеплении с кожухом топливного элемента.
61. Способ уменьшения или по существу предотвращения разложения топлива в жидкостном топливном элементе прямого действия на аноде этого топливного элемента, когда топливный элемент находится по существу без нагрузки, причем разложение топлива приводит к образованию газа, включающий в себя принуждение газа, который образуется при начальном разложении топлива, образовывать барьер, который ограничивает или по существу предотвращает дальнейший контакт между топливом и анодом.
62. Способ по пункту 61, в котором барьер содержит по существу непрерывный слой газа вдоль по существу всей поверхности анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента.
63. Способ по любому из пунктов 61 и 62, в котором газ содержит водород.
64. Способ по любому из пунктов с 61 по 63, в котором топливо содержит одно или более из гидридного соединения и боргидридного соединения.
65. Способ по любому из пунктов с 61 по 64, в котором топливо содержит боргидрид щелочного металла, который является одним или более из растворенного и суспендированного в жидком носителе.
66. Способ по любому из пунктов с 61 по 65, в котором разложение топлива по существу останавливается в пределах не более чем примерно 5 минут после того, как топливный элемент переводят в состояние по существу без нагрузки.
67. Способ по пункту 66, в котором разложение топлива по существу останавливается в пределах не более чем примерно 3 минут.
68. Способ по любому из пунктов с 61 по 67, причем этот способ включает в себя ограничение или по существу
предотвращение возможности газа, который образуется при начальном разложении топлива, оттекать от анода.
69. Способ по пункту 68, в котором возможность газа оттекать от анода ограничивают или по существу предотвращают по меньшей мере одной мембраной, которую располагают на той стороне анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента.
70. Способ уменьшения или по существу предотвращения разложения топлива на аноде жидкостного топливного элемента прямого действия, в котором используется топливо, которое образует газ, когда претерпевает упомянутое разложение, включающий в себя:
расположение между топливной камерой топливного элемента и анодом одного или более из:
по меньшей мере одной пористой структуры; по меньшей мере одной сетчатой структуры; и по меньшей мере одной мембраны; и
образование газа во время начального разложения топлива в топливном элементе,
посредством чего этот газ ограничивает или по существу предотвращает контакт между топливом и анодом.
71. Способ по пункту 70, в котором упомянутое образование включает в себя по существу предотвращение с помощью этого газа контакта топлива с анодом.
72. Способ по любому из пунктов 70 и 71, в котором упомянутое образование включает в себя образование по существу непрерывного слоя газа вдоль по существу всей поверхности анода, которая обращена к топливной камере топливного элемента.
73. Способ по любому из пунктов с 7 0 по 72, в котором упомянутое образование включает в себя по существу удерживание газа между анодом и упомянутыми по меньшей мере одной пористой структурой, по меньшей мере одной сетчатой структурой или по меньшей мере одной мембраной.
74. Способ по любому из пунктов с 70 по 73, в котором газ содержит водород.
75. Способ по любому из пунктов с 70 по 74, дополнительно
содержащий перевод топливного элемента в состояние по существу без нагрузки, вызывая разложение топлива.
76. Способ по любому из пунктов с 70 по 75, дополнительно содержащий по существу остановку начального разложения топлива в пределах не более чем примерно 3 минут.
77. Способ по любому из пунктов с 70 по 76, дополнительно содержащий обеспечение пространства между анодом и упомянутыми по меньшей мере одной пористой структурой, по меньшей мере одной сетчатой структурой или по меньшей мере одной мембраной, причем это пространство способно по существу заполняться газом.
78. Способ предотвращения или уменьшения разложения топлива в топливном элементе по любому из пунктов с 1 по 60, включающий в себя:
генерирование электрической энергии топливным элементом;
по существу предотвращение дальнейшего генерирования электрической энергии топливным элементом, посредством чего вызывается разложение топлива на аноде этого топливного элемента с образованием газа; и
содействие с помощью по меньшей мере одной мембраны накоплению рядом с анодом образовавшегося на аноде газа, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ ограничивает или по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом.
79. Способ предотвращения или уменьшения разложения топлива в топливном элементе по любому из пунктов с 1 по 60, включающий в себя:
генерирование электрической энергии топливным элементом;
по существу предотвращение дальнейшего генерирования электрической энергии топливным элементом, посредством чего вызывается разложение топлива на аноде этого топливного элемента с образованием газа; и
принуждение образовавшегося на аноде газа накапливаться рядом с анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом.
80. Способ предотвращения или уменьшения разложения
топлива в топливном элементе по любому из пунктов с 1 по 60, включающий в себя:
генерирование электрической энергии топливным элементом;
по существу предотвращение дальнейшего генерирования электрической энергии топливным элементом, посредством чего вызывается разложение топлива на аноде этого топливного элемента с образованием газа; и
обеспечение возможности образовавшемуся на аноде газу накапливаться между упомянутой по меньшей мере одной мембраной и анодом, по меньшей мере, до точки, при которой скопившийся газ по существу предотвращает контакт между анодом и жидким топливом.
81. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 60, в котором топливная камера расположена в картридже, который является по меньшей мере одним из присоединенного к корпусу топливного элемента и съемным образом прикрепленного к корпусу топливного элемента.
82. Топливный элемент по пункту 81, причем этот топливный элемент дополнительно содержит по меньшей мере один конструктивный элемент, который позволяет жидкому топливу проходить из топливной камеры картриджа в область рядом с анодом.
83. Топливный элемент по любому из пунктов с 1 по 60, причем этот топливный элемент содержит кожух, внутри которого размещается, по меньшей мере, анод, при этом по меньшей мере одна часть топливной камеры расположена вне этого кожуха, и при этом кожух присоединен к упомянутой по меньшей мере одной части топливной камеры, которая расположена вне кожуха, посредством одного или более жидкостных проходов.
84. Топливный элемент по пункту 83, в котором упомянутая по меньшей мере одна часть топливной камеры, которая расположена вне кожуха, содержит картридж.
85. Топливный элемент по любому из пунктов 83 и 84, в котором упомянутая по меньшей мере одна мембрана расположена в по меньшей мере одном из: (а) в одном или более или вблизи одного или более мест кожуха, где жидкое топливо из упомянутой
по меньшей мере одной части топливной камеры, которая расположена вне кожуха, может поступать в кожух, (Ь) в одном или более или вблизи одного или более мест упомянутой по меньшей мере одной части топливной камеры, которая расположена вне кожуха, где жидкое топливо может покидать упомянутую по меньшей мере одну часть топливной камеры, которая расположена вне кожуха, (с) в одном или более мест внутри одного или более из жидкостных проходов.
По доверенности
1/11
Уровень техники
2/11
ФИГ.2
3/11
ФИГ.З
4/11
(1) ^
§П5
л п
ь о
о о.
о о
Ои ч
о о
к и и
14 12
500
Время, мин.
1000
1500
ФИГ. 4
Уровень техники
ФИГ. 5
5/11
ФИГ. б
ФИГ. 7
6/11
ФИГ. 8
7/11
ФИГ. 9
8/11
ФИГ.10
9/11
ФИГ.11
10/11
ФИГ.12
ФИГ.13
ЕВРАЗИЙСКОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО
ЕАПВ/ОП-2
ОТЧЕТ О ПАТЕНТНОМ ПОИСКЕ
(статья 15(3) ЕАПК и правило 42
Номер евразийской заявки: 200700645
Дата подачи: 15 сентября 2005 (15.09.2005)1 Дата испрашиваемого приоритета: 15 сентября 2004 (15.09.2004)
Название изобретения: Жидкостной топливный элемент прямого действия и способ предотвращения _разложения топлива в жидкостном топливном элементе прямого действия
Заявитель:
МОР ЭНЕРДЖИ, ЛТД.
П Некоторые пункты формулы не подлежат поиску (см. раздел I дополнительного листа) Ц Единство изобретения не соблюдено (см. раздел II дополнительного листа)
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ: НОШ8/10 (2006.01)
НОШ8/04 (2006.01)
Согласно Международной патентной классификации (МПК) или национальной классификации и МПК
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК-8) Н01М 8/00, 8/02, 8/04, 8/06, 8/10, НО 1М 4/86
Другая проверенная документация в той мере, в какой она включена в область поиска:
В. ДОКУМЕНТЫ, СЧИТАЮЩИЕСЯ РЕЛЕВАНТНЫМИ
Категория*
Ссылки на документы с указанием, где это возможно, релевантных частей
Относится к пункту №
JP 2004-207208 A (HITACHI MAXELL LTD) 22.07.2004, формула п. !, присание абзацы 0025, 0044, 0055, рис. 9
RU 2230400 С1 (ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ИНДЕПЕНДЕНТ ПАУЭР ТЕХНОЛОДЖИС" "ИПТ") 10.06.2004, описание строки 41-51
US 2002/0015869 Al (WENDEROTH, LIND & PONACK, L.L.P.) 07.02.2002, формула
JP 2004-247226 A (HITACHI MAXELL LTD) 02.09.2004, описание
1-2, 6, 10, 12-13
1-13
1-13
1-13
]последующие документы указаны в продолжении графы В данные о патентах-аналогах указаны в приложении
* Особые категории ссылочных документов:
"А" документ, определяющий общий уровень техники
"Е" более ранний документ, но опубликованный на дату подачи евразийской заявки или после нее
"О" документ, относящийся к устному раскрытию, экспонированию и т.д.
"Р" документ, опубликованный до даты подачи евразийской
заявки, но после даты испрашиваемого приоритета "D" документ, приведенный в евразийской заявке
"Т" более поздний документ, опубликованный после даты приоритета и приведенный для понимания изобретения
"X" документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету
поиска, порочащий новизну или изобретательский уровень,
взятый в отдельности "Y" документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету
поиска, порочащий изобретательский уровень в сочетании с
другими документами той же категории " &" документ, являющийся патентом-аналогом "L" документ, приведенный в других целях__
Дата действительного завершения патентного поиска: 23 января 2008 (23.01.2008)
Наименование и адрес Международного поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 123995,Москва, Г-59, ГСП-5, Бережковская наб., д. 30-1 .Факс: 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
Уполномоченное лицо :
Т.Владимирова
Телефон № (499) 240-25-91