RU2330353C1 - Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method - Google Patents
Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2330353C1 RU2330353C1 RU2007105472/09A RU2007105472A RU2330353C1 RU 2330353 C1 RU2330353 C1 RU 2330353C1 RU 2007105472/09 A RU2007105472/09 A RU 2007105472/09A RU 2007105472 A RU2007105472 A RU 2007105472A RU 2330353 C1 RU2330353 C1 RU 2330353C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- electrolyte
- load
- fuel cell
- activating
- Prior art date
Links
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
Abstract
Description
Изобретение относится к электрохимическим преобразователям, преимущественно к топливным элементам, преобразующим химическую энергию топлива в электрическую энергию.The invention relates to electrochemical converters, mainly to fuel cells that convert the chemical energy of a fuel into electrical energy.
Известен электрохимический преобразователь энергии [RU 2105395 C1, 1998], содержащий положительный и отрицательный электроды с камерами жидких реагентов и мембрану, отделяющую реагенты друг от друга.Known electrochemical energy Converter [RU 2105395 C1, 1998], containing positive and negative electrodes with chambers of liquid reagents and a membrane that separates the reagents from each other.
Способ преобразования, реализуемый в данном устройстве, основан на постоянном взаимодействии реагентов, т.е токообразующие реакции происходят сразу при замыкании на внешнюю нагрузку, и впоследствии отсутствует управление реакциями.The conversion method implemented in this device is based on the constant interaction of the reagents, i.e., current-forming reactions occur immediately upon closure to an external load, and subsequently there is no reaction control.
Известен способ запуска низкотемпературной батареи топливных элементов, включающий заправку электролитом, подачу рабочих газов, разогрев электролита, включение нагрузки, при этом разогрев электролита осуществляют после заправки батареи электролитом и путем подключения внешнего источника переменного тока к силовым клеммам батареи с последующим его отключением, а нагрузку берут номинальную [SU 511772 A1, 1995].There is a method of starting a low-temperature battery of fuel cells, including charging with electrolyte, supplying working gases, heating the electrolyte, turning on the load, while heating the electrolyte is carried out after filling the battery with electrolyte and by connecting an external AC source to the power terminals of the battery with its subsequent disconnection, and the load is taken rated [SU 511772 A1, 1995].
К недостаткам можно отнести разовое инициирование электрохимической реакции, отсутствует постоянный контроль (мониторинг) и управление электрохимическими реакциямиThe disadvantages include one-time initiation of an electrochemical reaction, there is no constant control (monitoring) and control of electrochemical reactions
Известна заявка [WO 0180340 А, 2001], выбранная в качестве прототипа для способа и устройства преобразования энергии, в которой раскрыта электрическая цепь для генерирования импульсов напряжения и подачи их на топливную ячейку. Задачей такой разработанной схемы является управление и контроль за электрохимическими процессами, происходящими в топливном элементе, преимущественно в топливном элементе, в котором в качестве топлива используются углеводороды. Схема управляет анодным потенциалом при сжигании углеводородов, с целью оксидирования вредных примесей в топливном элементе (дожиг СО).Known application [WO 0180340 A, 2001], selected as a prototype for a method and apparatus for energy conversion, in which an electric circuit is disclosed for generating voltage pulses and supplying them to a fuel cell. The objective of such a developed scheme is to control and monitor the electrochemical processes occurring in the fuel cell, mainly in the fuel cell, in which hydrocarbons are used as fuel. The circuit controls the anode potential during the combustion of hydrocarbons, with the goal of oxidizing harmful impurities in the fuel cell (afterburning СО).
К недостаткам прототипа можно отнести то, что данная схема управляет лишь частично электрохимическими реакциями, отсутствует полный контроль процесса.The disadvantages of the prototype include the fact that this circuit only controls partially electrochemical reactions, there is no complete control of the process.
Задача изобретения - разработать новый процесс преобразования химической энергии в электрическую, в основе которого лежит управление процессами, происходящими на границе раздела: топливо - электролит, за счет ее высоковольтной поляризации.The objective of the invention is to develop a new process of converting chemical energy into electrical energy, which is based on the control of processes occurring at the interface: fuel - electrolyte, due to its high voltage polarization.
Технический результат - управляемый процесс образования окислителя в месте контакта топлива и электролита, что позволяет использовать в качестве топлива любые вещества, участвующие в окислительно-восстановительном процессе, например металлы, органические вещества, газы в сжиженном состоянии, и оптимизировать количество получаемой полезной энергии.The technical result is a controlled process of the formation of an oxidizing agent at the point of contact of the fuel and the electrolyte, which makes it possible to use any substances participating in the redox process, such as metals, organic substances, gases in a liquefied state, and to optimize the amount of useful energy received.
Еще один технический результат - управляемый процесс образования водорода в месте контакта топлива и электролита, за счет инициирования на границе раздела химических, электрохимических и плазмохимических реакций.Another technical result is the controlled process of hydrogen formation at the site of contact of fuel and electrolyte due to initiation of chemical, electrochemical and plasma chemical reactions at the interface.
Дополнительным техническим результатом является безопасность эксплуатации топливных элементов.An additional technical result is the safety of fuel cells.
Поставленная задача достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе преобразования химической энергии в электрическую энергию обеспечивают контакт топлива и электролита с образованием границы раздела в корпусе топливного элемента, а также контакта топлива и электролита с электродами.The problem is achieved in that, as in the known, in the proposed method of converting chemical energy into electrical energy, the fuel and electrolyte are contacted to form an interface in the fuel cell body, as well as the contact of fuel and electrolyte with electrodes.
Новым является то, что осуществляют высоковольтную поляризацию границы раздела путем подачи на электроды активирующих импульсов напряжения, при этом используют электролит, который до подачи активирующих импульсов не является окислителем по отношению к топливу.What is new is that high-voltage polarization of the interface is carried out by applying activating voltage pulses to the electrodes, while using an electrolyte, which is not an oxidizing agent with respect to fuel before the supply of activating pulses.
Кроме того, высоковольтную поляризацию осуществляют активирующими импульсами напряжения, имеющими одну восходящую и одну нисходящую часть.In addition, high-voltage polarization is carried out by activating voltage pulses having one ascending and one descending part.
Кроме того, используют импульсы трапециевидной формы с амплитудой до 4000 В, частотой импульсов 50 Гц и длительностью импульсов не менее 10 мкс.In addition, trapezoidal pulses with an amplitude of up to 4000 V, a pulse frequency of 50 Hz and a pulse duration of at least 10 μs are used.
Кроме того, осуществляют либо анодную, либо катодную высоковольтную поляризацию границы раздела.In addition, either anodic or cathodic high-voltage polarization of the interface is carried out.
Кроме того, высоковольтную поляризацию осуществляют с возбуждением на границе раздела микроплазменных разрядов.In addition, high-voltage polarization is carried out with excitation at the interface of microplasma discharges.
Кроме того, каждый следующий активирующий импульс подают на электроды при достижении минимально допустимого значения амплитуды тока на нагрузке, а затем осуществляют переключение электродов на нагрузку и соответственно при достижении минимально допустимого значения амплитуды тока на нагрузке вновь подают активирующий импульс.In addition, each subsequent activating pulse is supplied to the electrodes when the minimum acceptable value of the current amplitude at the load is reached, and then the electrodes are switched to the load, and accordingly, when the minimum acceptable value of the current amplitude at the load is reached, the activating pulse is again applied.
Кроме того, осуществляют отбор части электрической энергии, получаемой на нагрузке, и использование ее для формирования активирующего импульса.In addition, they carry out the selection of part of the electric energy received at the load, and use it to form an activating pulse.
Кроме того, осуществляют накопление энергии и подачу ее на нагрузку.In addition, carry out the accumulation of energy and its supply to the load.
Кроме того, в качестве одного из электродов - анода используют электрод, выполненный из металла (например, алюминия, титана, магния, циркония, стали), углерода и других, способных при окислении растворяться с выделением энергии.In addition, an electrode made of metal (for example, aluminum, titanium, magnesium, zirconium, steel), carbon, and others capable of dissolving with the release of energy during oxidation is used as one of the electrodes — the anode.
Кроме того, в качестве электролита используют водный раствор солей, кислот или щелочей.In addition, an aqueous solution of salts, acids or alkalis is used as the electrolyte.
Кроме того, в качестве топлива используют любые органические вещества, способные участвовать в окислительно-восстановительном процессе, например бензол, толуол и другие углеводородные соединения.In addition, any organic substances capable of participating in the redox process, for example benzene, toluene and other hydrocarbon compounds, are used as fuel.
Кроме того, для образования границы раздела жидкого топлива и электролита используют мембрану.In addition, a membrane is used to form the interface between liquid fuel and electrolyte.
Поставленная задача достигается также тем, что, как и известное, предлагаемое устройство преобразования химической энергии в электрическую, предназначенное для осуществления способа, описанного выше, содержит, по крайней мере, один топливный элемент и, по крайней мере, один генератор импульсов напряжения, соединенный с электродами топливного элемента.The task is also achieved by the fact that, like the known, the proposed device for converting chemical energy into electrical energy, designed to implement the method described above, contains at least one fuel cell and at least one voltage pulse generator connected to fuel cell electrodes.
Новым является то, что оно дополнительно содержит блок формирования и подачи активирующих импульсов, выход которого соединен с электродами топливного элемента.New is that it additionally contains a unit for generating and supplying activating pulses, the output of which is connected to the electrodes of the fuel cell.
Кроме того, вход блока формирования и подачи активирующих импульсов может быть соединен с нагрузкой.In addition, the input of the unit for generating and supplying activating pulses can be connected to the load.
Кроме того, устройство дополнительно содержит блок накопления энергии от нагрузки, выход которого соединен с блоком формирования и подачи активирующих импульсов, а вход предназначен для соединения с нагрузкой.In addition, the device further comprises a unit for storing energy from the load, the output of which is connected to the unit for generating and supplying activating pulses, and the input is designed to connect to the load.
Кроме того, устройство содержит датчик нагрузки, включенный между нагрузкой и блоком формирования и подачи активирующих импульсов для контроля минимально допустимого значения тока на нагрузке.In addition, the device includes a load sensor connected between the load and the unit for generating and supplying activating pulses to control the minimum allowable current value on the load.
Кроме того, устройство дополнительно содержит средства для сглаживания тока перед подачей его на нагрузку, включенные между нагрузкой и электродами топливного элемента.In addition, the device further comprises means for smoothing the current before applying it to the load, included between the load and the electrodes of the fuel cell.
Кроме того, топливный элемент содержит последовательно соединенные и размещенные в корпусе катод в контакте с электролитом, мембрану, разделяющую электролит и топливо, и катод в контакте с топливом.In addition, the fuel cell contains a cathode connected in series with the cathode in contact with the electrolyte, a membrane separating the electrolyte and fuel, and a cathode in contact with the fuel.
Кроме того, топливный элемент содержит последовательно соединенные и размещенные в корпусе катод в контакте с топливом, мембрану, разделяющую топливо и электролит, и анод в контакте с электролитом.In addition, the fuel cell contains a cathode connected in series with the cathode in contact with the fuel, a membrane separating the fuel and the electrolyte, and an anode in contact with the electrolyte.
Кроме того, топливный элемент, содержит корпус с жидким электролитом, в котором размещены катод и расходуемый анод.In addition, the fuel cell contains a housing with liquid electrolyte, in which the cathode and sacrificial anode are placed.
Кроме того, топливные элементы соединены между собой либо последовательно, либо параллельно.In addition, the fuel cells are interconnected either in series or in parallel.
Целесообразно, что корпус топливного элемента выполнен из неэлектропроводного материала.It is advisable that the fuel cell housing is made of non-conductive material.
Кроме того, устройство содержит средства хранения и подачи топлива и электролита к каждому топливному элементу, систему циркуляции, очистки и охлаждения топлива и электролита, систему отвода продуктов электрохимической реакции.In addition, the device contains means for storing and supplying fuel and electrolyte to each fuel cell, a system for circulating, cleaning and cooling the fuel and electrolyte, and a system for removing products of the electrochemical reaction.
Электрохимические преобразователи, как правило, имеют анод, катод и электролит. Типичным примером электрохимического преобразователя является топливный элемент. Обычный топливный элемент содержит один электролит (окислитель), который разделяют два электрода, один из которых - окислительный образует первую границу раздела (электрод - окислитель (электролит)) и второй электрод образует границу раздела с электролитом, который одновременно находится в контакте с топливом.Electrochemical transducers typically have an anode, a cathode, and an electrolyte. A typical example of an electrochemical converter is a fuel cell. A conventional fuel cell contains one electrolyte (oxidizer), which is separated by two electrodes, one of which - the oxidizing one forms the first interface (electrode - oxidizer (electrolyte)) and the second electrode forms the interface with the electrolyte, which is in contact with the fuel at the same time.
Проблема топливных элементов - небезопасность из-за постоянного контакта окислителя и топлива, т.е. вероятность возникновения неуправляемых электрохимических реакций.The problem of fuel cells is insecurity due to the constant contact of the oxidizer and fuel, i.e. the likelihood of uncontrolled electrochemical reactions.
В настоящем изобретении предлагается использование видов топлива и электролита (окислителя), которые при контакте не вступают в реакции, а именно токообразующие реакции. Для инициирования реакции предлагается использовать импульсное напряжение, поляризующее границу раздела: топливо - электролит и приводящее к возникновению и течению электрохимической реакции. При этом предлагается высоковольтная поляризация границы раздела до 4000 В, именно использование высоковольтной поляризации позволяет использовать в топливных элементах новую совокупность материалов, используемых в качестве топлива и окислителя.The present invention proposes the use of fuels and electrolyte (oxidizing agent), which upon contact do not enter into reactions, namely current-forming reactions. To initiate the reaction, it is proposed to use a pulsed voltage that polarizes the interface: fuel is an electrolyte and leads to the appearance and flow of an electrochemical reaction. At the same time, high-voltage polarization of the interface up to 4000 V is proposed; it is the use of high-voltage polarization that makes it possible to use a new combination of materials used as fuel and oxidizer in fuel cells.
Продемонстрируем химизм процесса получения электрической энергии на примере «сжигания» металлического электрода. При анодной поляризации (на электрод, служащий в качестве топлива, подается положительный потенциал) на электроде, погруженном в водный раствор электролита, активируются следующие химические и электрохимические процессы.Let us demonstrate the chemistry of the process of generating electrical energy by the example of "burning" a metal electrode. With anodic polarization (a positive potential is applied to the electrode serving as fuel), the following chemical and electrochemical processes are activated on the electrode immersed in an aqueous electrolyte solution.
1. Процесс окисления металла по электрохимическому механизму:1. The process of metal oxidation by the electrochemical mechanism:
Ме+Н2O→МеОn+Н2↑.Me + H 2 O → MeO n + H 2 ↑.
Если процесс сопровождается микроплазменными разрядами, то также в плазме образуются локальные зоны на поверхности металла с высокой температурой. Такая часть разогретого металла реагирует с водой по химической реакции:If the process is accompanied by microplasma discharges, then local zones are also formed in the plasma on the metal surface with high temperature. This part of the heated metal reacts with water through a chemical reaction:
Ме+Н2O→МеОn+Надс+Надс,Me + H 2 O → MeO n + H ads + H Oads,
где Надс - адсорбированный водород.where H ads - adsorbed hydrogen.
Т.е. активирующий импульс способствует преобразованию металла с получением адсорбированного водорода.Those. an activating pulse facilitates the conversion of the metal to produce adsorbed hydrogen.
2. При активировании на поверхности электрода начинают протекать также электрохимические процессы разложения воды:2. When activated, electrochemical processes of water decomposition also begin to occur on the surface of the electrode:
2OН--е=Н2О+(1/2)O2.2 OH - -e = H 2 O + (1/2) O 2 .
Концентрация ОН- на поверхности равна нулю, так как весь ОН- реагирует по приведенной выше реакции. После выключения активирующего импульса концентрация ОН- в приэлектродном слое выравнивается с объемной концентрацией и происходит токообразующая реакция:The concentration of OH - on the surface is zero, since all OH - reacts according to the above reaction. After switching off the activating pulse concentration of OH - in the sheath is aligned with a volume concentration and current-producing reaction occurs:
Надс+ОН--2е=Н2O.H ads + OH - -2e = H 2 O.
Таким образом, активирующий импульс подготавливает топливо для токообразующей реакции и приводит к тому, что идут процессы получения адсорбированного водорода Надс и окислителя, реализуются два типа параллельных реакций - получение топлива и окислителя.Thus, the activating impulse prepares the fuel for the current-forming reaction and leads to the processes of obtaining adsorbed hydrogen H ads and oxidizing agent, two types of parallel reactions are realized - the production of fuel and oxidizing agent.
Продемонстрируем химизм процесса получения электрической энергии на примере топливного элемента с использованием системы двух несмешивающихся жидкостей. При высоких напряжениях образуется пробой барьерного слоя, возникающего на границе двух несмешивающихся фаз. При пробое в жидкостях образуются радикалы ОН- в слое, прилегающем к границе раздела фаз. Радикалы ОН- и R- образуются в том месте, где произошел разряд. Таким образом, разряд стимулирует процесс образования топлива, причем в том месте, где происходят токообразующие реакции. Процесс образования топлива можно продемонстрировать химической реакцией:Let us demonstrate the chemistry of the process of generating electrical energy using an example of a fuel cell using a system of two immiscible liquids. At high voltages, a breakdown of the barrier layer is formed, which arises at the boundary of two immiscible phases. During breakdown in liquids, OH radicals are formed - in a layer adjacent to the phase boundary. The radicals OH - and R - are formed in the place where the discharge occurred. Thus, the discharge stimulates the process of fuel formation, and in that place where current-forming reactions occur. The process of fuel formation can be demonstrated by a chemical reaction:
СnНm→СnНm-i+iH.C n H m → n C H mi + iH.
Кроме этого, в процессе подачи импульса и появления микроплазменных разрядов на границе раздела фаз происходит образование ОН- группы.Additionally, during the pulse and the occurrence of microplasma discharges at the interface is formed OH - group.
При отключении водород реагирует с ОН- с образованием воды и получением электрической энергии:When turned off, hydrogen reacts with OH - with the formation of water and receipt of electrical energy:
Н+ОН--е→Н2O.H + OH - → H 2 -e O.
Если при активирующем импульсе поверхностная концентрация равна нулю и идут электрохимические процессы:If at an activating impulse the surface concentration is equal to zero and electrochemical processes take place:
2OH--2e→H2O+(1/2)O2,2OH - -2e → H 2 O + (1/2) O 2 ,
то при отключении подачи импульсов поверхностная концентрация за счет ее диффузионного выравнивания с объемной увеличивается, что способствует получению электрической энергии.then when the supply of pulses is turned off, the surface concentration due to its diffusion alignment with the volume increases, which contributes to the production of electrical energy.
В процессе электрохимического или плазменного активирования органического или «металлического» топлива возможно появление нестабильных органических соединений или радикалов, которые могут реагировать по схеме окисления с получением энергии. Для доказательства существования приведенных выше параллельных реакций активирования топлива и получения окислителя является выполненный анализ газов. В состав газов на аноде входит водород, кислород и азот в соотношении 33,3%:33,3%:33,3%. Азот не содержался в топливе и, по нашему мнению, является азотом, растворенным в воде и выходящим из воды.In the process of electrochemical or plasma activation of organic or “metallic” fuel, unstable organic compounds or radicals may appear that can react according to the oxidation scheme to produce energy. To prove the existence of the above parallel reactions of fuel activation and the preparation of an oxidizing agent, a gas analysis is performed. The composition of the gases at the anode includes hydrogen, oxygen and nitrogen in a ratio of 33.3%: 33.3%: 33.3%. Nitrogen was not contained in the fuel and, in our opinion, is nitrogen dissolved in water and leaving the water.
Количество энергии, полученной в результате работы топливного элемента на нагрузке, обозначим Qн, а количество энергии, затраченной на образование окислителя в барьерной пленке, Qз.The amount of energy obtained as a result of the fuel cell operating at a load is denoted by Qн, and the amount of energy spent on the formation of an oxidizing agent in the barrier film, Qз.
Количество полезной энергии, полученной в результате работы, определяется соотношениемThe amount of useful energy obtained as a result of work is determined by the ratio
Qп=Qн-Qз.Qп = Qн-Qз.
Если импульс напряжения представляет собой равнобедренный импульс, то t1=t4-t3.If the voltage pulse is an isosceles pulse, then t 1 = t 4 -t 3 .
В этом случае:In this case:
Qп=t1·(Iн-Iз).Qп = t 1 · (Iн-Iз).
Экспериментальные исследования вольт-амперных зависимостей проводили на информационно-измерительном комплексе - компьютерная система измерения (КСИ) электрических параметров [RU 2284517 C1, 2006], позволяющем получать вольт-амперные зависимости на возрастающей и убывающей части трапециевидного импульса напряжения (фиг.4).Experimental studies of the current-voltage dependences were carried out on an information-measuring complex - a computer system for measuring electrical parameters (CSI) [RU 2284517 C1, 2006], which allows to obtain the current-voltage dependences on the increasing and decreasing parts of the trapezoidal voltage pulse (figure 4).
Циклические вольт-амперные зависимости задающего тока (I1) и полученного тока (I2) приведены на фиг.5.The cyclic current-voltage dependences of the driving current (I 1 ) and the resulting current (I 2 ) are shown in Fig.5.
Циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии приведены на фиг.6.Cyclic current-voltage dependences on aluminum and magnesium are shown in Fig.6.
Циклические вольт-амперные зависимости, полученные на границе раздела различные водные растворы электролита и органическая фаза, приведены на фиг.7 (а и б).The cyclic current-voltage dependences obtained at the interface of various aqueous electrolyte solutions and the organic phase are shown in Fig. 7 (a and b).
Из фиг.5-7 видно, что количество затраченной энергии меньше количества полученной.Figure 5-7 shows that the amount of energy spent is less than the amount received.
Используя новый прием, а именно активирование границы раздела топливо - электролит высоковольтным импульсом напряжения с возникновением электрохимических и/или плазмохимических процессов, приводящих к получению окислителя на границе раздела фаз, удается получить электрическую энергию, как используя систему: водный раствор электролита - твердое тело (расходуемый металл, например алюминий, сталь, углерод), так и систему: водный раствор электролита - органическая жидкость (углеводородные материалы). Электрическая энергия получается при осуществлении переключения на нагрузку при достижении максимума напряжения на нагрузке.Using a new technique, namely the activation of the fuel – electrolyte interface by a high-voltage voltage pulse with the occurrence of electrochemical and / or plasma-chemical processes leading to the production of an oxidizing agent at the interface, it is possible to obtain electric energy, as using the system: an aqueous electrolyte solution — a solid (consumed) metal, for example aluminum, steel, carbon), and the system: an aqueous electrolyte solution - an organic liquid (hydrocarbon materials). Electric energy is obtained when switching to the load when the maximum voltage on the load is reached.
При выборе водного электролита необходимо основываться на том, чтобы он был индифферентным, т.е. его компоненты не расходовались в процессе работы. Другой особенностью выбора водного электролита при работе с твердыми и жидкими электродами (топливом) является то, что продукты электродных реакций не должны сопровождаться выделением веществ, накапливающихся на поверхности твердого электрода или на границе несмешивающихся фаз. В этом случае продукты реакции приведут к увеличению сопротивления топливного элемента и уменьшению отдаваемого тока. При использовании в качестве топлива бензола в топливный элемент в качестве электролита подавали водные растворы КОН, KF и KCl, в случае же использования толуола в качестве электролита подавали Н3PO4, КОН, KF и KCl.When choosing an aqueous electrolyte, it is necessary to be based on the fact that it is indifferent, i.e. its components were not consumed in the process. Another feature of the choice of aqueous electrolyte when working with solid and liquid electrodes (fuel) is that the products of electrode reactions should not be accompanied by the release of substances that accumulate on the surface of the solid electrode or at the interface of immiscible phases. In this case, the reaction products will lead to an increase in the resistance of the fuel cell and a decrease in the output current. When benzene was used as fuel, aqueous solutions of KOH, KF, and KCl were fed into the fuel cell as an electrolyte; in the case of toluene, H 3 PO 4 , KOH, KF, and KCl were fed as electrolyte.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять передачу получаемой полезной энергии на нагрузку и осуществлять формирование активирующих импульсов как первоначального (источник питания), так и последующих (блок формирования и подачи активирующих импульсов формирует частоту, длительность и амплитуду). В случае необходимости остановки процессов, происходящих в топливном элементе, отключают подачу активирующих импульсов. В этом случае топливный элемент прекращает вырабатывать электрическую энергию. Перед подачей тока на нагрузку возможно накопление энергии и предварительное сглаживание (выпрямление) тока, поэтому устройство в конкретном его исполнении должно содержать средства для накопления и сглаживания тока перед подачей его на нагрузку.The proposed device allows the transmission of the received useful energy to the load and the formation of activating pulses of both the initial (power source) and subsequent ones (the unit for generating and supplying activating pulses generates frequency, duration and amplitude). If necessary, stop the processes occurring in the fuel cell, turn off the supply of activating pulses. In this case, the fuel cell stops generating electrical energy. Before applying current to the load, it is possible to accumulate energy and pre-smooth (rectify) the current, so the device in its specific design must contain means for accumulating and smoothing the current before applying it to the load.
Такое накопление может осуществляться в аккумуляторах либо в конденсаторных блоках, причем в момент подачи активирующего импульса на топливный элемент нагрузка отключена, а после активирования процесса для получения электрической энергии подключается накопитель для накопления энергии, которая пойдет для активации топливного элемента в следующий импульс и нагрузку.Such accumulation can be carried out in accumulators or in capacitor units, and at the moment of supplying an activating pulse to the fuel cell, the load is disconnected, and after activating the process, an energy storage cell is connected to generate electric energy, which will go to activate the fuel cell in the next pulse and load.
Количество электрической энергии, вырабатываемой топливным элементом, регулируется частотой следования импульсов и амплитудой задаваемого напряжения активирующего импульса, эта функция реализуется блоком формирования и подачи активирующих импульсов.The amount of electric energy generated by the fuel cell is regulated by the pulse repetition rate and the amplitude of the set voltage of the activating pulse, this function is implemented by the unit for generating and supplying activating pulses.
В дальнейшем изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых представлены:The invention is further illustrated by graphic materials on which:
Фиг.1 (а и б) - схематичные варианты топливного элемента с границей раздела двух несмешивающихся фаз.Figure 1 (a and b) are schematic versions of a fuel cell with an interface of two immiscible phases.
Фиг.2 - схематичный вариант топливного элемента с границей раздела: твердое тело - электролит.Figure 2 - schematic version of a fuel cell with an interface: solid - electrolyte.
Фиг.3 - функциональная схема управления системой топливных элементов.Figure 3 - functional diagram of the control system of the fuel cells.
Фиг.4 - форма активирующего импульса напряжения.4 is a form of an activating voltage pulse.
Фиг.5 - циклические вольт-амперные зависимости задающего тока (I1) и полученного тока (I2).5 is a cyclic current-voltage dependence of the driving current (I 1 ) and the resulting current (I 2 ).
Фиг.6 - циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии.6 - cyclic current-voltage dependencies on aluminum and magnesium.
Фиг.7 - циклические вольт-амперные зависимости, полученные на границе раздела: водная и органическая фаза.7 - cyclic current-voltage dependences obtained at the interface: aqueous and organic phase.
Фиг.8 рабочие диаграммы работы системы топливных элементов.Fig.8 working diagrams of the operation of the fuel cell system.
Для реализации способа возможно использование следующих трех вариантов топливных элементов.To implement the method, it is possible to use the following three options for fuel cells.
На фиг.1а приведен вариант топливного элемента, содержащего последовательно соединенные и размещенные в корпусе 1 катод 2 в контакте с электролитом 3, мембрану 4, анод 5 и топливо 6.On figa shows a variant of a fuel cell containing a
На фиг.1б приведен вариант топливного элемента, содержащего последовательно соединенные и размещенные в корпусе 1 катод 2 в контакте с топливом 6, мембрану 4, анод 5 и электролит 3.On figb shows a variant of a fuel cell containing a
На фиг.2 приведен вариант топливного элемента, который содержит корпус 1, катод 2 и анод 5, оба размещенные в электролите 3. В данном варианте анод используют в качестве топлива.Figure 2 shows a variant of a fuel cell that includes a
На фиг.3 приведена блок-схема устройства на примере включения одного топливного элемента, конструктивно выполненного, как приведено на фиг.1а, и вырабатывающего электрическую энергию на границе двух несмешивающихся жидкостей (фаз). Корпус 1 топливного элемента выполнен из неэлектропроводного материала для предотвращения утечек тока через корпус.Figure 3 shows the block diagram of the device by the example of the inclusion of one fuel cell, structurally made, as shown in figa, and generating electrical energy at the boundary of two immiscible liquids (phases). The
В корпусе 1 размещены: катод 2 в контакте с электролитом 3, средства его хранения 7 и подачи (например, фильтр 8 и насос 9) и анод 5 в контакте с топливом 6. Устройство также содержит средства хранения топлива 10 и подачи топлива 11, 12 (например, фильтр 11 и насос 12). Корпус 1 выполняли из кварцевого стекла (может быть выполнен из любого другого неэлектропроводного материала).The
Для генерирования активирующих импульсов напряжения устройство содержит импульсный источник питания 13, блок формирования и подачи активирующих импульсов 14 для высоковольтной поляризации границы раздела, выполненные с возможностью присоединения к электродам топливного элемента 2 и 5, а также содержит блок накопления энергии от нагрузки 15 с датчиком нагрузки 16, вход которого соединен с нагрузкой, а выход с блоком формирования и подачи активирующих импульсов 14 и блоком накопления энергии от нагрузки 15, датчик нагрузки 16 служит для подачи сигнала о формировании каждого последующего активирующего импульса на электроды 2 и 5, блок выпрямления (сглаживающее устройство) 17, служащее для преобразования выработанного импульсного тока в постоянный, вход которого соединен с электродами топливного элемента, а выход с нагрузкой, блок управления 18 соединен с блоком 13, 14, 15 и 17 и датчиком нагрузки 16.To generate activating voltage pulses, the device contains a switching
Блок 14 содержит средства, регулирующие амплитуду, частоту и длительность активирующих импульсов.
Устройство содержит систему отвода продуктов электрохимической реакции, систему циркуляции, очистки и охлаждения топлива и электролита (на схеме не показаны).The device comprises a system for removing products of an electrochemical reaction, a system for circulating, cleaning and cooling fuel and electrolyte (not shown in the diagram).
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Пример. 1Example. one
Для активации границы раздела двух несмешивающихся жидкостей (топлива 6 и электролита 3) на электроды 2 и 5 подается импульс напряжения, выработанный блоком накопления 15 через блок формирования 14 или первоначальный, формируемый импульсным источником питания 13. В первом случае частота, длительность и амплитуда импульсов задаются блоком 14. Порядок включения блоков 13, 14, 15 и 17 и датчика нагрузки 16 определяет блок управления 18. Диаграмма следования импульсов напряжения приведена на графике фиг.8а. Импульсы напряжения имеют трапециевидную форму с амплитудой до 4000 В, частотой импульсов 50 Гц, благодаря первому импульсу активируется (поляризуется) граница раздела (в данном примере мембрана 4): топливо 6 - водный раствор электролита 3. Диаграмма потребления тока, соответствующая подаваемым импульсам напряжения, приведена на фиг.8в. В момент от 0 до t1 происходит активация границы раздела фаз и накапливается окислитель. Например, ионы кислорода из воды, которые взаимодействуют с топливом и производят электрическую энергию, т.е. на границе раздела начинаются токообразующие реакции и происходит сжигание (окисление) топлива 6, причем в этот момент нагрузка отключена. В момент достижения максимального значения напряжения t1 блок 18 отключает источник питания 13 (или блок 14) и отключает накопитель 15 от электродов 2 и 5 и подключает их к сглаживающему устройству 17 и к нагрузке (Н). Временная диаграмма подключения нагрузки, которую формирует блок 14, приведена на фиг.8б. Окислитель расходуется и величина тока падает - участок А-В диаграммы нагрузки на фиг.4. Для доставки окислителя 3 необходим новый импульс. Перед началом следующего активирующего импульса в момент t2 нагрузка отключается.To activate the interface between two immiscible liquids (
За период времени подключения сглаживающего устройства 17 к электродам 2 и 5 по системе проходит электрический ток. Диаграмма полученной энергии устройством 17 приведена на фиг.8г. Импульсы тока сглаживаются и идут на нагрузку (Н).For a period of time connecting the smoothing
Насосы 11, 8 и фильтры 12, 9 работают постоянно или периодически, обеспечивая очистку топлива и окислителя.
Если в качестве топлива 6 использовали бензол, то в качестве электролита 3 подавали водный раствор КОН. Циклическая вольт-амперная зависимость, полученная на границе раздела: бензол - КОН приведена на Фиг.7.If benzene was used as
Пример.2Example 2
Активировали границу раздела с топливным элементом, приведенным на фиг.2, который содержит корпус 1, катод 2 и анод 5, оба размещенные в электролите 3. В данном варианте анод используют в качестве топлива. Использовали пластины из алюминия и магния площадью 5,1 см2. В качестве электролита использовали 4 компонентный фосфатно-боратный электролит. Циклические вольт-амперные зависимости на алюминии и магнии представлены на фиг.6.The interface was activated with the fuel cell shown in figure 2, which contains the
Для расчета высвобождаемой энергии по вольт-амперным зависимостям, приведенным на фиг.6 и фиг.7, проводили интегрирование параметров и определяли разницу между количеством затрачиваемой и получаемой энергии, вычисленные значения энергии приведены в таблице.To calculate the released energy according to the volt-ampere dependencies shown in Fig.6 and Fig.7, the parameters were integrated and the difference between the amount of consumed and received energy was determined, the calculated energy values are shown in the table.
Таким образом, новизна изобретения заключается в том, что для получения окислителя, инициирования процессов окисления топлива и получения топлива нами предложено использовать высоковольтные импульсы напряжения, подаваемые на электроды топливного элемента по мере расходования окислителя. Нет необходимости в доставке к поверхности металлического электрода или границе раздела двух жидкостей окислителя, поддержанию концентрации окислителя в топливном элементе. Это значительно упрощает работу топливного элемента, уменьшает количество вспомогательных устройств (насосов по перекачиванию окислителя, устройств по поддержанию концентрации окислителя на одном уровне), уменьшает затраты на приобретение окислителя, уменьшает энергозатраты на вспомогательные операции, перечисленные выше при работе топливного элемента.Thus, the novelty of the invention lies in the fact that in order to obtain an oxidizing agent, initiating the processes of fuel oxidation and producing fuel, we proposed using high voltage voltage pulses supplied to the electrodes of the fuel cell as the oxidizer is consumed. There is no need to deliver an oxidizer to the surface of the metal electrode or interface between two liquids, and to maintain the oxidizer concentration in the fuel cell. This greatly simplifies the operation of the fuel cell, reduces the number of auxiliary devices (pumps for pumping the oxidizer, devices to maintain the concentration of the oxidizer at the same level), reduces the cost of acquiring the oxidizer, and reduces the energy costs for the auxiliary operations listed above during the operation of the fuel cell.
Claims (23)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007105472/09A RU2330353C1 (en) | 2007-02-13 | 2007-02-13 | Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method |
| PCT/RU2008/000080 WO2008100182A1 (en) | 2007-02-13 | 2008-02-12 | Method for converting chemical energy into electric power and a converting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007105472/09A RU2330353C1 (en) | 2007-02-13 | 2007-02-13 | Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2330353C1 true RU2330353C1 (en) | 2008-07-27 |
Family
ID=39690319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007105472/09A RU2330353C1 (en) | 2007-02-13 | 2007-02-13 | Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2330353C1 (en) |
| WO (1) | WO2008100182A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111682799A (en) * | 2019-06-03 | 2020-09-18 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | Chemical engine |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106356543B (en) * | 2016-12-01 | 2023-08-01 | 安徽师范大学 | Fuel cell |
| CN109802205A (en) * | 2018-11-29 | 2019-05-24 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | A kind of electrochemical appliance |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU511772A1 (en) * | 1974-12-27 | 1995-02-20 | В.Н. Андрианов | Method of starting low-temperature fuel cell bank |
| GB9412073D0 (en) * | 1994-06-16 | 1994-08-03 | British Gas Plc | Method of operating a fuel cell |
| DE19710819C1 (en) * | 1997-03-15 | 1998-04-02 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Fuel cell with anode-electrolyte-cathode unit |
| JP4168511B2 (en) * | 1999-02-17 | 2008-10-22 | 三菱電機株式会社 | Apparatus for reducing carbon monoxide concentration in hydrogen gas containing carbon monoxide and fuel cell power generation system using the same |
| WO2001080340A1 (en) * | 2000-04-14 | 2001-10-25 | Vodafone Ag | Circuit for generating voltage pulses and impressing voltage pulses upon a fuel cell and fuel cell system |
-
2007
- 2007-02-13 RU RU2007105472/09A patent/RU2330353C1/en not_active IP Right Cessation
-
2008
- 2008-02-12 WO PCT/RU2008/000080 patent/WO2008100182A1/en active Application Filing
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111682799A (en) * | 2019-06-03 | 2020-09-18 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | Chemical engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008100182A1 (en) | 2008-08-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jow et al. | Electrochemical capacitors using hydrous ruthenium oxide and hydrogen inserted ruthenium oxide | |
| Dinh et al. | Boosting the single-pass conversion for renewable chemical electrosynthesis | |
| CN102859775B (en) | Redox-flow battery and method of operating thereof | |
| EP3947779B1 (en) | Electrolysis system with controlled thermal profile | |
| JP7429919B2 (en) | Hydrogen generation system, hydrogen generation system control device, and hydrogen generation system control method | |
| GB2409865A (en) | Production of hydrogen from water | |
| RU2330353C1 (en) | Ai mamaev's method of converting chemical energy to electrical energy and device for implementing method | |
| JP6547002B2 (en) | Method of treating liquid electrolyte | |
| WO2021054255A1 (en) | Hydrogen generation system control method, and hydrogen generation system | |
| DK3195393T3 (en) | REGULATION OF CURRENT BATTERY ELECTRODE | |
| KR102018781B1 (en) | Hydrogen recycling apparatus and method of operation | |
| EP4083267A1 (en) | Organic hydride generation system, control device for organic hydride generation system, and control method for organic hydride generation system | |
| JPH03192662A (en) | Cell capacity recovery method for redox-flow cell | |
| CN113853455B (en) | Control method for organic hydride generation system and organic hydride generation system | |
| JP2005293901A (en) | Fuel cell system and driving method thereof | |
| US20150207163A1 (en) | Methods and apparatus of an anode/cathode (a/c) junction fuel cell with solid electrolyte | |
| JP2007042332A (en) | Residual quantity detecting device and electronic apparatus | |
| JP2020522842A (en) | Redox flow battery and method for operating redox flow battery | |
| EP4299794A1 (en) | Electrolysis device | |
| JP3215177U (en) | Battery device | |
| JP2017008366A (en) | Method of and device for producing alkaline water, and exhaust purification apparatus having device built therein | |
| JP2008066299A (en) | Fuel cell system having activation assist apparatus and method | |
| EP1597735A1 (en) | A commutator, a gas electrode, a method of electroplating and a method of initiating cold fusion | |
| KR20170094343A (en) | Method for regenerating the electrolyte solution of a rechargeable redox flow battery | |
| WO2023167585A2 (en) | Method and device for producing hydrogen from water |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090214 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20100620 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210214 |