[go: up one dir, main page]

RU2628760C1 - Electrochemical solid state fuel cell - Google Patents

Electrochemical solid state fuel cell Download PDF

Info

Publication number
RU2628760C1
RU2628760C1 RU2016141211A RU2016141211A RU2628760C1 RU 2628760 C1 RU2628760 C1 RU 2628760C1 RU 2016141211 A RU2016141211 A RU 2016141211A RU 2016141211 A RU2016141211 A RU 2016141211A RU 2628760 C1 RU2628760 C1 RU 2628760C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
housing
gas
liquid
holes
Prior art date
Application number
RU2016141211A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Марианна Александровна Феофанова
Александр Сергеевич Радин
Юлия Анатольевна Малышева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority to RU2016141211A priority Critical patent/RU2628760C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2628760C1 publication Critical patent/RU2628760C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: fuel cell includes a housing 1, a gas-liquid path 2, electrodes 3 that can be made of activated carbon or carbon fibre or porous graphite and impregnated with a 20-60% aqueous solution of the heteropolyacid of 2-18 type of the H6[P2W18O62], are compressed on both sides by perforated metal plates 4 of stainless steel or chromium, or nickel, or copper with aperture diameter of 0.5-10 mm, which in turn can be made on the sides of the housing made of an inert dielectric material, the perforation is designed so that the holes in the housing are opposite the holes in the metal perforated plates of the electrodes. Two electrodes are placed in the housing opposite each other with a gap of 5-100 mm, through which the gas path 2 passes for supply and discharge of liquid or gas. Electrical terminals 5 and 6, which form a combined anode and a combined cathode, are attached to the metal plates of the electrodes 4.
EFFECT: expanding the range of used types of fuels, both liquid and gaseous, high cell efficiency, increasing the service life, simplicity in manufacturing and maintenance.
1 dwg

Description

Изобретение относится к способам прямого преобразования химической энергии топлив в электрическую с использованием в качестве активного компонента вольфрамовой гетерополикислоты 2-18 ряда и устройствам для их осуществления. Может быть использовано для изготовления топливных элементов, которые в свою очередь могут быть использованы для создания мобильных и стационарных источников электрической энергии.The invention relates to methods for the direct conversion of chemical energy of fuels into electrical energy using 2-18 rows of tungsten heteropoly acid as an active component and devices for their implementation. It can be used for the manufacture of fuel cells, which in turn can be used to create mobile and stationary sources of electrical energy.

Известен электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах, включающий корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожита топлива (RU №2474929, опубл. 10.02.2013). Камера парциального окисления метана содержит совокупность трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана. Топливные элементы в виде трубок с открытыми концами соосно соединены с трубками камеры парциального окисления. Камера дожита содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожита. На внутренней поверхности трубок камеры парциального окисления нанесен катализатор окисления топлива в избытке воздуха.Known electrochemical generator based on solid oxide fuel cells, including a housing, a chamber for mixing methane and air, a chamber for partial oxidation of methane, a chamber for electrochemical oxidation of fuel with a battery of fuel cells, and a chamber for surviving fuel (RU No. 2474929, publ. 02.10.2013). The methane partial oxidation chamber contains a plurality of tubes fixed to the tube plate with a methane partial oxidation catalyst deposited on their outer surfaces. Fuel cells in the form of tubes with open ends are coaxially connected to the tubes of the partial oxidation chamber. The survival chamber contains a set of perforated plates coated with a surviving catalyst. A catalyst for oxidizing fuel in excess of air is deposited on the inner surface of the tubes of the partial oxidation chamber.

Данное изобретение рассчитано на использование в качестве топлива метана, работает при высоких температурах, имеет сложную конструкцию с трудоемким способом ее изготовления, что является его недостатками.This invention is designed to use methane as a fuel, operates at high temperatures, has a complex structure with a laborious method of its manufacture, which is its disadvantages.

Известен способ изготовления каталитического электрода на основе гетерополисоединений для водородных метанольных топливных элементов, включающий изготовление композитного катализатора на основе гетерополисоединений и активного каталитического слоя на его основе с добавлением гидрофобизирующей добавки (RU №2561711, опубл. 10.09.2015). Каталитический электрод представляет собой пористый наноструктурированный слой композита толщиной 5-15 мкм, состоящий из: катализатора - композита из протонопроводящего гетерополисоединения в виде цезиевой соли фосфорновольфрамовой кислоты и электропроводящей добавки из углеродного материала или легированного диоксида олова, на которые химически нанесены частицы каталитического металла платиновой группы со средним размером 3 нм, а также 5-20% гидрофобизатора, предпочтительно политетрафторэтилена. При этом содержание благородного металла в композитном катализаторе составляет от 5 до 30 мас. %, электропроводящих компонентов от 2 до 30 мас. %.A known method of manufacturing a catalytic electrode based on heteropoly compounds for hydrogen methanol fuel cells, including the manufacture of a composite catalyst based on heteropoly compounds and an active catalytic layer based on it with the addition of a hydrophobizing additive (RU No. 2561711, publ. 09/10/2015). The catalytic electrode is a porous nanostructured composite layer with a thickness of 5-15 μm, consisting of: a catalyst - a composite of a proton conductive heteropoly compound in the form of cesium salt of phosphoric tungsten acid and an electrically conductive additive of carbon material or doped tin dioxide, on which particles of a catalytic metal of a platinum group are chemically supported an average size of 3 nm, as well as 5-20% water repellent, preferably polytetrafluoroethylene. The content of the noble metal in the composite catalyst is from 5 to 30 wt. %, conductive components from 2 to 30 wt. %

Электрохимические топливные ячейки на основе таких электродов сложны в изготовлении, в качестве каталитически активных материалов используются благородные металлы с большим процентным содержанием, что приводит к удорожанию изделия, и по этой же самой причине ограничивает срок службы элемента из-за отравляемости каталитически активных компонентов загрязнителями, которые могут содержаться в техническом водороде и метаноле, что повышает требования к чистоте топлив. Также предложенный способ ограничивает использование других жидких газообразных компонентов ввиду той же отравляемости каталитически активных веществ.Electrochemical fuel cells based on such electrodes are difficult to manufacture, noble metals with a high percentage are used as catalytically active materials, which leads to an increase in the cost of the product, and for the same reason, limits the life of the cell due to poisoning of the catalytically active components by contaminants, which can be contained in industrial hydrogen and methanol, which increases the requirements for fuel purity. Also, the proposed method limits the use of other liquid gaseous components due to the same poisoning of catalytically active substances.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является топливный элемент на основе модифицированного полианилина с КПД до 90% и возможностью использования в качестве топлива как газов, так и жидкостей (RU №144526, опубл. 27.08.2014). Топливный элемент содержит корпус, который одновременно является катодом (из меди, или титана, или нержавеющей стали, или алюминия), по центру которого расположен анод, выполненный в виде трубы, имеющей сквозные отверстия диаметром 0,3-0,7 мм и расположенные друг от друга с шагом 7 мм как по горизонтали, так и по вертикали, и на которую методом потенциостатического циклирования наносится на внешнюю и внутреннюю стороны слой модифицированного проводящего полианилина. Анод соединен с одной стороны с трубкой для подачи жидкого или газообразного топлива или воздуха, а с другой - со сбросной трубкой для непрореагировавшего топлива, при этом дополнительно с одной стороны в корпусе размещают трубку для подачи воздуха, а с противоположной стороны - трубку для подачи воздуха или жидкого топлива в зависимости от режима работы топливного элемента, причем для смены жидкого непрореагировавшего топлива в корпусе установлена сливная труба. Между корпусом и металлическими частями анода установлены токосъемы.Closest to the claimed technical solution is a fuel cell based on modified polyaniline with an efficiency of up to 90% and the possibility of using both gases and liquids as fuel (RU No. 144526, published on 08.27.2014). The fuel cell contains a housing that is simultaneously a cathode (made of copper, or titanium, or stainless steel, or aluminum), in the center of which is located an anode made in the form of a pipe having through holes 0.3-0.7 mm in diameter and located one another from each other with a pitch of 7 mm both horizontally and vertically, and on which a layer of modified conductive polyaniline is applied to the outer and inner sides by potentiostatic cycling. The anode is connected on one side to a tube for supplying liquid or gaseous fuel or air, and on the other hand, to a discharge tube for unreacted fuel, in addition, on the other hand, a tube for supplying air is placed in the housing, and on the opposite side is a tube for supplying air or liquid fuel, depending on the operating mode of the fuel cell, and a drain pipe is installed in the housing to change the unreacted liquid fuel. Current collectors are installed between the body and the metal parts of the anode.

Известно, что топливные элементы имеют разные конструкции в зависимости от химических и физических свойств газа или жидкости, которые используются в качестве топлива.It is known that fuel cells have different designs depending on the chemical and physical properties of the gas or liquid that are used as fuel.

Анод может быть выполнен из диэлектрического материала, на который с двух сторон, внутренней и внешней, напылен слой одного из металлов: хрома, золота, платины, никеля, нержавеющей стали, свинца или графита.The anode can be made of a dielectric material, on which a layer of one of the metals: chromium, gold, platinum, nickel, stainless steel, lead or graphite is sprayed on both sides, internal and external.

Дополнительно, в случае использования в качестве топлива газов-восстановителей - окиси углерода или водорода, или их смеси, в корпус заливают электролит, представляющий собой 0,5-1,0 молярный водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62] и который, для лучшего протекания процесса окисления газов, насыщают кислородом путем подачи воздуха через трубку для подачи воздуха и/или трубку для подачи воздуха или жидкого топлива.Additionally, in the case of using reducing gases — carbon monoxide or hydrogen, or a mixture of them — as fuel, an electrolyte is poured into the casing, which is a 0.5-1.0 molar aqueous solution of heteropoly acid of the 2-18 row having the chemical formula H 6 [ P 2 W 18 O 62 ] and which, for a better gas oxidation process, is saturated with oxygen by supplying air through an air supply pipe and / or air or liquid fuel supply pipe.

Дополнительно, в случае использования жидкого топлива в корпус заливают водный раствор этанола, метанола или аммиака.Additionally, in the case of using liquid fuel, an aqueous solution of ethanol, methanol or ammonia is poured into the housing.

Топливные элементы имеют не простую конструкцию и весьма сложны в изготовлении. Использование жидкого электролита сильно ограничивает применение различных веществ, по этой же причине ячейка инерционна. При сборке топливных ячеек в батарею необходимо создавать сложные схемы равномерной подачи топлива, что увеличивает габаритные размеры изделия. Использование жидкого электролита ограничивает эксплуатационное использование данного изделия. Использование проводящего полимера в водных растворах из-за деградации последнего ограничивает срок службы.Fuel cells are not of a simple design and are very difficult to manufacture. The use of liquid electrolyte greatly limits the use of various substances, for the same reason, the cell is inertial. When assembling fuel cells into the battery, it is necessary to create complex schemes for uniform fuel supply, which increases the overall dimensions of the product. The use of liquid electrolyte limits the operational use of this product. The use of a conductive polymer in aqueous solutions due to degradation of the latter limits the service life.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электрохимической твердотельной топливной ячейки для получения электричества упрощенной конструкции без использования дорогостоящих каталитически активных материалов и ионно-разделительных мембран, где в качестве топлива могут быть использованы газообразные и жидкие вещества.The problem to which the claimed invention is directed, is the creation of an electrochemical solid-state fuel cell for generating electricity of a simplified design without the use of expensive catalytically active materials and ion-separation membranes, where gaseous and liquid substances can be used as fuel.

Данная задача решается за счет того, что электрохимическая твердотельная топливная ячейка, включающая корпус 1, расположенные в нем электроды 3, газожидкостной тракт 2, применяемый в качестве основного каталитического вещества водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда H6[P2W18O62] имеет два электрода, которые могут быть выполнены из активированного угля, углеволокна, пористого графита, пропитаны 20-60% водным раствором гетерополикислоты H6[P2W18O62], обжаты с двух сторон перфорированными металлическими пластинами 4 с диаметром перфорации отверстий 0,5-10 мм, которые могут быть выполнены из нержавеющей стали, хрома, никеля или меди, размещают в корпусе 1, который может быть выполнен из инертных диэлектрических материалов и по бокам имеет перфорацию с диаметром 0,5-10 мм таким образом, чтобы отверстия в корпусе были расположены напротив отверстий в металлических перфорированных пластинах электродов с зазором 5-100 мм, через который проходит газовый тракт 2 для подачи и отвода жидкости или газа, а к металлическим пластинам электродов 4 прикрепляют электрические выводы 5 и 6, образующие комбинированный анод и комбинированный катод.This problem is solved due to the fact that the electrochemical solid-state fuel cell, including the housing 1, the electrodes 3 located therein, a gas-liquid path 2 used as the main catalytic substance, an aqueous solution of heteropoly acid 2-18 series H 6 [P 2 W 18 O 62 ] has two electrodes that can be made of activated carbon, carbon fiber, porous graphite, impregnated with a 20-60% aqueous solution of heteropoly acid H 6 [P 2 W 18 O 62 ], crimped on both sides with perforated metal plates 4 with a hole perforation diameter holes 0.5-10 mm, which can be made of stainless steel, chromium, nickel or copper, are placed in the housing 1, which can be made of inert dielectric materials and has perforations on the sides with a diameter of 0.5-10 mm in this way so that the holes in the housing are located opposite the holes in the metal perforated plates of the electrodes with a gap of 5-100 mm, through which the gas path 2 for supplying and discharging liquid or gas passes, and the electrical leads 5 and 6 are attached to the metal plates of the electrodes 4, forming bine combined anode and cathode.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются расширение диапазона используемых типов топлив как жидких, так и газообразных; высокий КПД ячейки; увеличение срока службы работы; простота в изготовлении и в техобслуживании.The technical result provided by the given set of features is to expand the range of used types of fuels, both liquid and gaseous; high cell efficiency; increase the service life of the work; simplicity in manufacturing and maintenance.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:The essence of the utility model is illustrated by drawings:

На фиг. 1 представлен общий вид электрохимической твердотопливной ячейки, где 1 - пластиковый диэлектрический корпус; 2 - пластиковая вставка (газожидкостной тракт); 3 - пористые углеродные пластинчатые электроды; 4 - перфорированные металлические пластины; 5 - электрический вывод комбинированного анода; 6 - электрический вывод комбинированного катода; 7 - резистор; 8 - вольтметр.In FIG. 1 shows a general view of an electrochemical solid fuel cell, where 1 is a plastic dielectric body; 2 - plastic insert (gas-liquid path); 3 - porous carbon plate electrodes; 4 - perforated metal plates; 5 - electrical output of the combined anode; 6 - electrical output of the combined cathode; 7 - resistor; 8 - voltmeter.

Заявленная электрохимическая твердотельная топливная ячейка включает корпус 1, газожидкостной тракт 2, использование водного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62], содержит электроды 3 толщиной 1-5 мм, которые могут быть выполнены из активированного угля, углеволокна, пористого графита и пропитаны 20-60% водным раствором гетерополикислоты, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62], и обжаты с двух сторон перфорированными металлическими пластинами 4 с диаметром перфорации отверстий 0,5-10 мм, которые в свою очередь могут быть выполнены из нержавеющей стали, хрома, никеля или меди, а по бокам корпуса 1, который должен быть выполнен из инертного диэлектрического материала, например, такого как фторопласт, оргстекло, полиэтилен или различного вида пластик, перфорация выполнена с диаметром 0,5-10 мм таким образом, чтобы отверстия в корпусе были напротив отверстий в металлических перфорированных пластинах электродов. Два электрода 3 размещают в корпусе напротив друг друга с зазором 5-100 мм, через который проходит пластиковая вставка - газовый тракт 2 для подачи и отвода жидкости или газа. К металлическим пластинам электродов 4 прикрепляют электрические выводы 5 и 6, образующие комбинированный анод и комбинированный катод.The claimed electrochemical solid-state fuel cell includes a housing 1, a gas-liquid path 2, the use of an aqueous solution of a heteropoly acid of row 2-18 having the chemical formula H 6 [P 2 W 18 O 62 ], contains electrodes 3 of a thickness of 1-5 mm, which can be made of activated carbon, carbon fiber, porous graphite and impregnated with a 20-60% aqueous solution of heteropoly acid having the chemical formula H 6 [P 2 W 18 O 62 ], and crimped on both sides with perforated metal plates 4 with a hole perforation diameter of 0.5-10 mm which in their turn The core can be made of stainless steel, chrome, nickel or copper, and on the sides of the housing 1, which should be made of an inert dielectric material, such as fluoroplastic, plexiglass, polyethylene or various types of plastic, perforation is made with a diameter of 0.5 -10 mm so that the holes in the housing are opposite the holes in the metal perforated plates of the electrodes. Two electrodes 3 are placed in the housing opposite each other with a gap of 5-100 mm, through which a plastic insert passes - a gas path 2 for supplying and discharging liquid or gas. Electrical terminals 5 and 6 are attached to the metal plates of the electrodes 4, forming a combined anode and combined cathode.

Электрохимическая топливная ячейка работает следующим образом. Через газожидкостной тракт 2 пропускается газообразное или жидкое топливо, которое окисляется внешним кислородом воздуха, который в свою очередь проникает через перфорированные отверстия в корпусе и через перфорированные отверстия в металлических пластинах электродов. При пропускании через газовый тракт легко окисляемой жидкости или газа происходит восстановление анионного комплекса гетерополикислоты 2-18 ряда, находящейся в пористом углеродном слое, и за счет захвата электронов у окисляемого жидкого или газообразного вещества. Соответственно анионный комплекс гетерополикислоты [P2W+5О62]24-, соприкасаясь, например, с газообразным водородом в ходе окислительно-восстановительной реакции заряжается отрицательно и заряжает отрицательно соприкасающиеся с ним внутренние пластины из нержавеющей стали, т.е. анод 5. Однако степень окисления вольфрама +5 очень неустойчива, поэтому со стороны внешних пластин на катоде 6, сквозь которые поступает кислород воздуха, происходит обратный процесс окисления анионного комплекса [P2W+5 18О62]6- до исходного состояния, соответствующего степени окисления вольфрама +6.The electrochemical fuel cell operates as follows. Gaseous or liquid fuel is passed through a gas-liquid path 2, which is oxidized by external oxygen, which in turn penetrates through the perforated holes in the housing and through the perforated holes in the metal plates of the electrodes. When an easily oxidizable liquid or gas is passed through the gas path, the anionic complex of the heteropoly acid of row 2-18 located in the porous carbon layer is restored and due to the capture of electrons from the oxidizable liquid or gaseous substance. Accordingly, the anionic complex of the heteropoly acid [P 2 W +5 O 62 ] 24- , in contact with, for example, hydrogen gas, is charged negatively during the redox reaction and charges negatively contacting internal plates of stainless steel, i.e. anode 5. However, the oxidation state of tungsten +5 is very unstable, therefore, from the side of the outer plates on the cathode 6, through which air oxygen enters, the reverse process of oxidation of the anionic complex [P 2 W +5 18 O 62 ] 6- to the initial state corresponding to oxidation state of tungsten +6.

В результате такой окислительно-восстановительной реакции между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Если между электродами 5 и 6 установить электрическую нагрузку 7, то по цепи пойдет ток, соответственно возникает ЭДС.As a result of such a redox reaction, a potential difference arises between the cathode and the anode. If between the electrodes 5 and 6 to establish an electrical load 7, then the current will flow through the circuit, respectively, there is an EMF.

Пример. Использование в качестве топлива в электрохимической ячейке газообразного водорода и водного раствора аммиака.Example. The use of hydrogen gas and an aqueous solution of ammonia as fuel in an electrochemical cell.

Был приготовлен 50% водный раствор вольфрамовой гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62]. Приготовленным раствором были пропитаны две одинаковые пластины из пористого графита с габаритными размерами 10×10×1 мм. Подготовленные таким образом углеродные пластины зажали между перфорированными металлическими никелевыми пластинами 4 с диаметром перфорации 1,5 мм. Далее изготовленные электроды поместили в пластиковый корпус 1, по бокам которого также сделана была перфорация с диаметром 1,5 мм, и совместили отверстия в пластиковом корпусе с отверстиями в металлических пластинах. Получившийся зазор между электродами составил 7 мм. После чего, в данный зазор вставили газожидкостной тракт 2 для подачи и отвода газообразного водорода и раствора аммиака. К электродам прикрепили электрические выводы 5 и 6, которые образовали комбинированный анод и комбинированный катод, между которыми установили электрическую нагрузку 7 в виде резистора номиналом 50 Ом, параллельно которой установили вольтметр 8. Далее к газожидкостному тракту 2 подключили баллон с чистым водородом и установили расход 34,6 мл/ч. Через 30 с показания на вольтметре стабилизировались, вольтметр показал напряжение 2,25 В. Следовательно, выходная мощность составила примерно 102,6 мВт. Данный процесс можно описать следующими химическими реакциями:A 50% aqueous solution of a tungsten heteropoly acid of row 2-18 having the chemical formula H 6 [P 2 W 18 O 62 ] was prepared. Two identical plates of porous graphite with overall dimensions of 10 × 10 × 1 mm were impregnated with the prepared solution. The carbon plates thus prepared are sandwiched between perforated metal nickel plates 4 with a perforation diameter of 1.5 mm. Next, the manufactured electrodes were placed in a plastic case 1, on the sides of which a perforation with a diameter of 1.5 mm was also made, and the holes in the plastic case were combined with holes in the metal plates. The resulting gap between the electrodes was 7 mm. Then, a gas-liquid path 2 was inserted into this gap for supplying and discharging hydrogen gas and an ammonia solution. Electrical pins 5 and 6 were attached to the electrodes, which formed a combined anode and combined cathode, between which they set an electric load 7 in the form of a 50 Ω resistor, in parallel with which a voltmeter was installed 8. Next, a pure hydrogen cylinder was connected to gas-liquid path 2 and the flow rate was set 34 6 ml / h. After 30 s, the readings on the voltmeter stabilized, the voltmeter showed a voltage of 2.25 V. Therefore, the output power was approximately 102.6 mW. This process can be described by the following chemical reactions:

26[P2W+6 18O62]-6=H24[P2W+5 18O62]-24 9H 2 + H 6 [P 2 W +6 18 O 62 ] -6 = H 24 [P 2 W +5 18 O 62 ] -24

Figure 00000001
Figure 00000001

Далее отключили подачу водорода, подождали, пока показания на вольтметре вернутся в исходное значение, и подали на ячейку 8% по массе водный раствор гидрата аммиака с расходом 0,258 мл/ч, плотность водного 8% раствора аммиака составляет 0,97 г/мл, показание на вольтметре составило 1,7 В, следовательно, выходная мощность составила около 57,8 мВт.Then, the hydrogen supply was turned off, waited until the voltmeter readings returned to the initial value, and an 8% by mass aqueous solution of ammonia hydrate with a flow rate of 0.258 ml / h was applied to the cell, the density of aqueous 8% ammonia solution was 0.97 g / ml, reading the voltmeter was 1.7 V, therefore, the output power was about 57.8 mW.

6NH36[P2W+6 18О62]-6=H24[P2W+5 18O62]-24+3N2 6NH 3 + H 6 [P 2 W +6 18 O 62 ] -6 = H 24 [P 2 W +5 18 O 62 ] -24 + 3N 2

Figure 00000002
Figure 00000002

Ориентировочный расчет КПД при использовании водорода в качестве топлива в электрохимической ячейке.Approximate calculation of efficiency when using hydrogen as fuel in an electrochemical cell.

Плотность водорода при нормальных условиях составляет 0,0000899 г/см3 что составляет 0,0031 г. Теплота сгорания водорода составляет 120000 Дж/г или 33 (Вт⋅ч)/г или 10820 кДж/м3 или 10,82 Дж/см3. Теоретическая мощность при 100% КПД при расходе чистого водорода при нормальных условиях должна была составлять 104 мВт. Экспериментальная максимальная выходная мощность 101,25 мВт, таким образом КПД составил примерно 97-98%.The density of hydrogen under normal conditions is 0.0000899 g / cm 3, which is 0.0031 g. The calorific value of hydrogen is 120,000 J / g or 33 (Wh / h) / g or 10,820 kJ / m 3 or 10.82 J / cm 3 . Theoretical power at 100% efficiency with the consumption of pure hydrogen under normal conditions should have been 104 mW. The experimental maximum output power is 101.25 mW, thus the efficiency was approximately 97-98%.

Ориентировочный расчет КПД при использовании раствора аммиака в качестве топлива в электрохимической ячейке.An approximate calculation of the efficiency when using an ammonia solution as a fuel in an electrochemical cell.

При расходе 0.258 мл/ч 8% раствора аммиака (плотность 8% раствора аммиака при 20°С=0.97 г/мл), массовый расход аммиака составляет 0,00256 г/ч или теплота сгорания аммиака 20 790 Дж/г или 5, 775 (Вт⋅ч)/г. Следовательно, при 100% КПД для таких условий выходная мощность была бы 115,7 мВт. На практике было получено в 2 раза меньше, т.е. примерно 57,8 мВт. Таким образом, можно сделать вывод, что КПД преобразования при таких заданных параметрах составил около 50%.At a flow rate of 0.258 ml / h of 8% ammonia solution (density of an 8% ammonia solution at 20 ° C = 0.97 g / ml), the mass flow rate of ammonia is 0.00256 g / h or the heat of combustion of ammonia is 20 790 J / g or 5, 775 (Wh) / g Therefore, at 100% efficiency for such conditions, the output power would be 115.7 mW. In practice, 2 times less was obtained, i.e. approximately 57.8 mW. Thus, we can conclude that the conversion efficiency for such given parameters was about 50%.

В примере была показана возможность использования твердотельной электрохимической ячейки упрощенной конструкции в качестве преобразователя химической энергии в электрическую энергию с высоким КПД, применяя как газообразные, так и жидкие виды топлива.The example showed the possibility of using a solid-state electrochemical cell of a simplified design as a converter of chemical energy into electrical energy with high efficiency, using both gaseous and liquid fuels.

Claims (1)

Электрохимическая твердотельная топливная ячейка, включающая корпус 1, расположенные в нем электроды 3, газожидкостной тракт 2, применяемый в качестве основного каталитического вещества водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда H6[P2W18O62], отличается тем, что два электрода, которые могут быть выполнены из активированного угля или углеволокна, или пористого графита, пропитаны 20-60% водным раствором гетерополикислоты H6[P2W18O62], обжаты с двух сторон перфорированными металлическими пластинами 4 с диаметром перфорации отверстий 0,5-10 мм, которые могут быть выполнены из нержавеющей стали или хрома, или никеля, или меди, размещают в корпусе 1, который может быть выполнен из инертных диэлектрических материалов и по бокам имеет перфорацию с диаметром 0,5-10 мм таким образом, чтобы отверстия в корпусе были расположены напротив отверстий в металлических перфорированных пластинах электродов с зазором 5-100 мм, через который проходит газовый тракт 2 для подачи и отвода жидкости или газа, а к металлическим пластинам электродов 4 прикрепляют электрические выводы 5 и 6, образующие комбинированный анод и комбинированный катод.An electrochemical solid-state fuel cell, comprising a housing 1, electrodes 3 located therein, a gas-liquid path 2 used as the main catalyst substance, an aqueous solution of heteropoly acid 2-18 of the H 6 [P 2 W 18 O 62 ] series, characterized in that there are two electrodes, which can be made of activated carbon or carbon fiber, or porous graphite, impregnated with a 20-60% aqueous solution of heteropoly acid H 6 [P 2 W 18 O 62 ], crimped on both sides with perforated metal plates 4 with a hole perforation diameter of 0.5-10 mm which They can be made of stainless steel or chromium, or nickel, or copper, placed in the housing 1, which can be made of inert dielectric materials and has perforations on the sides with a diameter of 0.5-10 mm so that the holes in the housing are located opposite the holes in the metal perforated plates of the electrodes with a gap of 5-100 mm, through which the gas path 2 for supplying and discharging liquid or gas passes, and the electrical leads 5 and 6 are attached to the metal plates of the electrodes 4, forming a combined th anode and combined cathode.
RU2016141211A 2016-10-20 2016-10-20 Electrochemical solid state fuel cell RU2628760C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016141211A RU2628760C1 (en) 2016-10-20 2016-10-20 Electrochemical solid state fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016141211A RU2628760C1 (en) 2016-10-20 2016-10-20 Electrochemical solid state fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2628760C1 true RU2628760C1 (en) 2017-08-22

Family

ID=59744931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016141211A RU2628760C1 (en) 2016-10-20 2016-10-20 Electrochemical solid state fuel cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2628760C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2747914C1 (en) * 2020-11-06 2021-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Photochemical method for converting electromagnetic radiation into electrical energy

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6649293B1 (en) * 2000-04-18 2003-11-18 Plug Power Inc. Heatable end plate, fuel cell assembly, and method for operating a fuel cell assembly
RU144526U1 (en) * 2014-03-07 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Инфотэк Груп" FUEL CELL BASED ON MODIFIED POLYANILINE
RU2561711C2 (en) * 2012-11-14 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) Method of catalytic electrode manufacturing based on heteropoly compounds for hydrogen and methanol fuel elements
RU160133U1 (en) * 2015-10-08 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) SOLID POLYMER FUEL ELEMENT

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6649293B1 (en) * 2000-04-18 2003-11-18 Plug Power Inc. Heatable end plate, fuel cell assembly, and method for operating a fuel cell assembly
RU2561711C2 (en) * 2012-11-14 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) Method of catalytic electrode manufacturing based on heteropoly compounds for hydrogen and methanol fuel elements
RU144526U1 (en) * 2014-03-07 2014-08-27 Открытое акционерное общество "Инфотэк Груп" FUEL CELL BASED ON MODIFIED POLYANILINE
RU160133U1 (en) * 2015-10-08 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) SOLID POLYMER FUEL ELEMENT

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2747914C1 (en) * 2020-11-06 2021-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Photochemical method for converting electromagnetic radiation into electrical energy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. A flexible paper-based hydrogen fuel cell for small power applications
Sanli et al. Response to Disselkamp: direct peroxide/peroxide fuel cell as a novel type fuel cell
WO2008115559A1 (en) New design of fuel cell and electrolyzer
JP2014523965A (en) Membrane electrode assembly for electrolyzer
Kiros et al. Electrode R&D, stack design and performance ofbiomass-based alkaline fuel cell module
KR101327432B1 (en) Bipolar plate and fuel cell stack or water electrolysis cell stack having the same
RU2628760C1 (en) Electrochemical solid state fuel cell
JPH0359955A (en) Fuel battery generator
TW200905957A (en) Electrode, electrode catalyst composition and fuel cell
Priya et al. A development of ethanol/percarbonate membraneless fuel cell
JPH10208757A (en) Fuel cell generator
Varhade et al. An inherent heat driven fuel exhaling hydrazine fuel cell
JPH03238760A (en) Fuel cell of solid electrolyte type
US11251446B2 (en) Fuel cell system
Ponmani et al. Influence of fuel and media on membraneless sodium percarbonate fuel cell
KR20030014895A (en) Portable fuel cell system
JPS6247968A (en) Molten carbonate fuel cell with internal reforming
JP2005183132A (en) Fuel cell
RU144526U1 (en) FUEL CELL BASED ON MODIFIED POLYANILINE
CN101473475A (en) Tube type fuel cell
JPH04292866A (en) Generating set
CN111766517B (en) Novel fuel cell mould
CN110061277B (en) Fuel Cell Reactors for Mixed Reactant Systems
Sonkar et al. Electrochemical splitting of water on IrO2 based Nafion bonded composite anode for efficient production of low cost and clean hydrogen fuel
Varhade et al. A hybrid hydrazine redox flow battery with a reversible electron acceptor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191021

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200826