RU2628760C1 - Electrochemical solid state fuel cell - Google Patents
Electrochemical solid state fuel cell Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 239000007787 solid Substances 0.000 title description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000011964 heteropoly acid Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 9
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 6
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 6
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 5
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 5
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 2
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 2
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000008694 Humulus lupulus Nutrition 0.000 description 1
- 244000025221 Humulus lupulus Species 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical class [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
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
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
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-
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
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
9Н2+Н6[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
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.
6NH3+Н6[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
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)
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)
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)
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 |
-
2016
- 2016-10-20 RU RU2016141211A patent/RU2628760C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
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)
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 |