RU2379795C2 - Спиртовые топливные элементы прямого действия, использующие твердые кислотные электролиты - Google Patents
Спиртовые топливные элементы прямого действия, использующие твердые кислотные электролиты Download PDFInfo
- Publication number
- RU2379795C2 RU2379795C2 RU2006138048/09A RU2006138048A RU2379795C2 RU 2379795 C2 RU2379795 C2 RU 2379795C2 RU 2006138048/09 A RU2006138048/09 A RU 2006138048/09A RU 2006138048 A RU2006138048 A RU 2006138048A RU 2379795 C2 RU2379795 C2 RU 2379795C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- fuel
- fuel cell
- solid acid
- anode
- 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
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
-
- 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
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0637—Direct internal reforming at the anode of the fuel cell
-
- 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
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
-
- 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
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
- H01M8/1013—Other direct alcohol fuel cells [DAFC]
-
- 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
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- 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
Abstract
Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты и катализаторы внутреннего риформинга. Техническим результатом изобретения является повышенные удельная мощность и напряжение элемента. Согласно изобретению топливный элемент включает анод, катод, твердый кислотный электролит, газодиффузионный слой и катализатор внутреннего риформинга. Катализатор внутреннего риформинга может составлять любой подходящий риформер и он располагается по соседству с анодом. В данной конфигурации тепло, генерируемое в экзотермических реакциях на катализаторе в топливном элементе, и омическое нагревание электролита топливного элемента являются движущей силой для эндотермической реакции риформинга топлива, преобразующей спиртовое топливо в водород. Возможно использование любого спиртового топлива, например, метанола или этанола. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты.
Уровень техники
Спирты недавно были подвергнуты интенсивным исследованиям в качестве потенциальных топлив. В особенности желательными в качестве топлив являются спирты, такие как метанол и этанол, поскольку они характеризуются удельными энергиями, в пять-семь раз превышающими соответствующие характеристики для стандартного сжатого водорода. Например, один литр метанола энергетически эквивалентен 5,2 литра водорода, сжатого до 320 атм. Кроме того, один литр этанола энергетически эквивалентен 7,2 литра водорода, сжатого до 350 атм. Желательными такие спирты являются также и потому, что они просты в обращении, хранении и транспортировке.
Метанол и этанол являлись предметом многих исследований с точки зрения спиртового топлива. Этанол можно получать в результате ферментации растений, содержащих сахар и крахмал. Метанол можно получать в результате газификации древесины или отходов древесины/зерновых растений (соломы). Однако более эффективным является синтез метанола. Данные спирты, помимо прочего, являются возобновляемыми ресурсами и поэтому они предположительно играют важную роль как в уменьшении выделения газов, вызывающих парниковый эффект, так и в уменьшении зависимости от ископаемых топлив.
Топливные элементы были предложены в качестве устройств, превращающих химическую энергию таких спиртов в электрическую энергию. В этом отношении интенсивным исследованиям были подвергнуты спиртовые топливные элементы прямого действия, имеющие мембраны из полимерного электролита. Говоря конкретно, исследованиям были подвергнуты метанольные топливные элементы прямого действия и этанольные топливные элементы прямого действия. Однако исследования этанольных топливных элементов прямого действия проводились ограниченно вследствие относительной трудности окисления этанола в сопоставлении с окислением метанола.
Несмотря на данные усилия в проведении обширных исследований эксплуатационные характеристики спиртовых топливных элементов прямого действия остаются неудовлетворительными главным образом вследствие кинетических ограничений, налагаемых электродными катализаторами. Например, типичные метанольные топливные элементы прямого действия характеризуются удельной мощностью, равной приблизительно 50 мВт/см2. Были получены и более высокие уровни удельной мощности, например 335 мВт/см2, но только в чрезвычайно суровых условиях (Nafion®, 130°C, кислород 5 атм и метанол 1 М для расхода 2 куб. см/мин при давлении 1,8 атм). Подобным же образом этанольный топливный элемент прямого действия характеризуется удельной мощностью 110 мВт/см2 при подобных чрезвычайно суровых условиях (Nafion® - диоксид кремния, 140°С, анод 4 атм, кислород 5,5 атм). В соответствии с этим существует потребность в спиртовых топливных элементах прямого действия, характеризующихся высокими удельными мощностями в отсутствие таких экстремальных условий.
Краткое изложение изобретения
Настоящее изобретение относится к спиртовым топливным элементам, содержащим твердые кислотные электролиты и использующим катализатор внутреннего риформинга. Топливный элемент в общем случае включает анод, катод, твердый кислотный электролит и внутренний риформер. Риформер обеспечивает прохождение риформинга спиртового топлива с получением водорода. Движущей силой реакции риформинга является тепло, генерируемое в ходе экзотермических реакций в топливном элементе.
Использование твердых кислотных электролитов в топливном элементе делает возможным размещение риформера непосредственно по соседству с анодом. Ранее это не считалось возможным вследствие повышенных температур, требуемых для эффективного функционирования известных материалов риформинга, и чувствительности к воздействию тепла у типичных мембран из полимерного электролита. Однако в сопоставлении с обычными мембранами из полимерных электролитов твердые кислотные электролиты могут противостоять воздействию намного более высоких температур, что делает возможным размещение риформера по соседству с анодом и поэтому поблизости от электролита. В данной конфигурации отходящее тепло, генерируемое электролитом, поглощается риформером и служит движущей силой эндотермической реакции риформинга.
Краткое описание чертежей
Данные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будет лучше поняты после ознакомления со следующим далее подробным описанием, рассматриваемым в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
Фигура 1 представляет собой схематическое изображение топливного элемента, соответствующего одному варианту реализации настоящего изобретения;
Фигура 2 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии с примерами 1 и 2 и сравнительным примером 1;
Фигура 3 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии с примерами 3, 4 и 5 и сравнительным примером 2; и
Фигура 4 представляет собой графическое сопоставление кривых зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для топливных элементов, полученных в соответствии со сравнительными примерами 2 и 3.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, содержащим твердые кислотные электролиты и использующим катализатор внутреннего риформинга, находящийся в физическом контакте с мембранно-электродным агрегатом (МЭА), предназначенным для проведения риформинга спиртового топлива с получением водорода. Как отмечалось выше, эксплуатационные характеристики топливных элементов, которые превращают химическую энергию в спиртах непосредственно в электрическую мощность, остаются неудовлетворительными вследствие кинетических ограничений, обусловленных электродными катализаторами топливных элементов. Однако хорошо известно, что данные кинетические ограничения значительно уменьшаются в случае использования водородного топлива. В соответствии с этим в настоящем изобретении используют катализатор риформинга или риформер, предназначенные для проведения риформинга спиртового топлива с получением водорода, тем самым обеспечивая уменьшение или устранение кинетических ограничений, связанных со спиртовым топливом. Спиртовые топлива подвергают паровому риформингу в соответствии со следующими далее примерами реакций:
Метанол в водород: СН3ОН+Н2O→3Н2+СО2;
Этанол в водород: C2H5OH+3Н2О→6H2+2CO2.
Однако реакция риформинга является сильно эндотермичной. Поэтому для получения движущей силы реакции риформинга риформер необходимо нагревать. Требуемое количество тепла обычно составляет приблизительно 59 кДж на один моль метанола (эквивалентно сжиганию приблизительно 0,25 моль водорода) и приблизительно 190 кДж на один моль этанола (эквивалентно сжиганию приблизительно 0,78 моль водорода).
В результате прохождения электрического тока во время эксплуатации топливных элементов происходит генерация отходящего тепла, эффективное удаление которого оказывается проблематичным. Однако генерация данного отходящего тепла делает размещение риформера непосредственно рядом с топливным элементом естественным вариантом при выборе. Такая конфигурация делает возможными подачу водорода из риформера в топливный элемент и охлаждение топливного элемента и позволяет топливному элементу нагревать риформер и формировать движущую силу для реакций в нем. Такая конфигурация используется в топливных элементах на основе расплавленных карбонатов и для реакций риформинга метана, проходящих при температуре, приблизительно равной 650°С. Однако реакции риформинга спирта в общем случае протекают при температурах в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С, и до сих пор еще не было разработано никакого подходящего топливного элемента с использованием риформинга спирта.
Настоящее изобретение относится к такому топливному элементу с использованием риформинга спирта. Как проиллюстрировано на ФИГУРЕ 1, топливный элемент 10, соответствующий настоящему изобретению, в общем случае включает первый токосъемник/газодиффузионный слой 12, анод 12а, второй токосъемник/газодиффузионный слой 14, катод 14а, электролит 16 и катализатор внутреннего риформинга 18. Катализатор внутреннего риформинга 18 располагают по соседству с анодом 12а. Говоря более конкретно, катализатор риформинга 18 располагают между первым газодиффузионным слоем 12 и анодом 12а. Возможно использование любого известного подходящего катализатора риформинга 18. Неограничивающие примеры подходящих катализаторов риформинга включают смеси оксидов Cu-Zn-Al, смеси оксидов Cu-Co-Zn-Al и смеси оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
Возможно использование любого спиртового топлива, такого как метанол, этанол и пропанол. В дополнение к этому в качестве топлива возможно использование диметилового эфира.
Исторически данная конфигурация не считалась возможной для спиртовых топливных элементов вследствие эндотермической природы реакции риформинга и чувствительности электролита к воздействию тепла. В типичных спиртовых топливных элементах используют мембраны из полимерного электролита, которые не могут выдерживать воздействие тепла, необходимого для создания движущей силы для катализатора риформинга. Однако электролиты, используемые в топливных элементах настоящего изобретения, содержат твердые кислотные электролиты, такие как те, что описываются в патенте США №6468684, озаглавленном PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, полное содержание которого включается в настоящий документ для справки, и в одновременно находящейся на рассмотрении патентной заявке США с регистрационным номером 10/139043, озаглавленной PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, полное содержание которой также включается в настоящий документ для справки. Одним неограничивающим примером твердой кислоты, подходящей для использования в качестве электролита в настоящем изобретении, является CsH2PО4. Твердые кислотные электролиты, используемые в случае топливных элементов данного изобретения, могут выдерживать воздействие намного более высоких температур, что делает возможным размещение катализатора риформинга непосредственно по соседству с анодом. Кроме того, эндотермическая реакция риформинга потребляет тепло, генерируемое в экзотермических реакциях в топливном элементе, формируя термически сбалансированную систему.
Данные твердые кислоты используются в своих суперпротонных фазах и выступают в роли протонопроводящих мембран в температурном диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 350°С. Верхний край данного температурного диапазона идеален для риформинга метанола. Для обеспечения генерации тепла в степени, достаточной для формирования движущей силы для реакции риформинга, и для обеспечения протонной проводимости твердого кислотного электролита топливный элемент настоящего изобретения предпочтительно эксплуатируют при температурах в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С. Однако более предпочтительно топливный элемент эксплуатировать при температурах в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С. В дополнение к значительному улучшению эксплуатационных характеристик спиртовых топливных элементов относительно высокие рабочие температуры спиртовых топливных элементов изобретения могут сделать возможным замещение дорогостоящих металлических катализаторов, таких как Pt/Ru и Pt на аноде и катоде соответственно менее дорогими материалами катализаторов.
Следующие далее примеры и сравнительные примеры иллюстрируют превосходные эксплуатационные характеристики спиртовых топливных элементов изобретения. Однако данные примеры представлены только для целей иллюстрации и не должны восприниматься в качестве ограничения изобретения данными примерами.
Пример 1. Метанольный топливный элемент
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см2 Pt/Ru. В качестве катализатора внутреннего риформинга использовали Си (30% мacc.) - Zn (20% масс.) - Аl. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH2PO4 с толщиной 160 мкм. Превращенные в пар смеси метанола и воды подавали в анодное пространство с расходом 100 мкл/мин. На катод с расходом 50 см3/мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Соотношение метанол: вода составляло 25:75. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Пример 2. Этанольный топливный элемент
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см2 Pt/Ru. В качестве катализатора внутреннего риформинга использовали Си (30% мacc.) - Zn (20% масс.) - Аl. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH2PO4 с толщиной 160 мкм. Превращенные в пар смеси этанола и воды подавали в анодное пространство с расходом 100 мкл/мин. На катод с расходом 50 см3/мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Соотношение этанол: вода составляло 15:85. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Сравнительный пример 1 - Топливный элемент с использованием чистого Н2
В качестве анодного электрокатализатора использовали 13 мг/см2 Pt/Ru. В качестве катодного электрокатализатора использовали 15 мг/см2 Pt. В качестве электролита использовали мембрану из CsH2PO4 с толщиной 160 мкм. В анодное пространство с расходом 100 мкл/мин подавали 3%-ный увлажненный водород. На катод с расходом 50 см3/мин (стандартные температура и давление) подавали 30%-ный увлажненный кислород. Температуру элемента задавали равной 260°С.
На фигуре 2 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для примеров 1 и 2 и сравнительного примера 1. Как показано, для метанольного топливного элемента (пример 1) достигается пиковая удельная мощность 69 мВт/см2, для этанольного (пример 2) топливного элемента достигается пиковая удельная мощность 53 мВт/см2, а для водородного топливного элемента (сравнительный пример 1) достигается пиковая удельная мощность 80
мВт/см2. Данные результаты показывают, что топливные элементы, полученные в соответствии с примером 1 и сравнительным примером 1, очень похожи, свидетельствуя о том, что метанольный топливный элемент, имеющий риформер, демонстрирует эксплуатационные характеристики, почти такие же хорошие, как и у водородного топливного элемента, что является существенным улучшением. Однако, как продемонстрировано в приведенных далее примерах и сравнительных примерах, в результате уменьшения толщины электролита достигается дополнительное увеличение удельной мощности.
Пример 3
Топливный элемент изготавливали в результате суспензионного осаждения CsH2PO4 на пористый носитель из нержавеющей стали, который служил в качестве как газодиффузионного слоя, так и токосъемника. Слой катодного электрокатализатора сначала осаждали на газодиффузионный слой, а после этого спрессовывали перед осаждением слоя электролита. После этого осаждали слой анодного электрокатализатора с последующим размещением второго газодиффузионного электрода в качестве конечного слоя структуры.
В качестве анодного электрода использовали смесь CsH2PO4, Pt (50 атомных мас.%) Ru, Pt (40% мacc.) - Ru (20% масс.), нанесенных на С (40% масс.), и нафталина. Соотношение компонентов в смеси CsH2PO4:Pt-Ru:Pt-Ru-C: нафталин составляло 3:3:1:0,5 (масс.). Использовали смесь в общем количестве 50 мг. Загрузки Pt и Ru составляли 5,6 мг/см2 и 2,9 мг/см2 соответственно. Площадь анодного электрода была равна 1,74 см2.
В качестве катодного электрода использовали смесь CsH2PO4, Pt, Pt (50% масс.), нанесенной на С (50% масс.), и нафталина. Соотношение компонентов в смеси CsH2PO4:Pt:Pt-C: нафталин составляло 3:3:1:1 (масс.). Использовали смесь в общем количестве 50 мг. Загрузки Pt составляли 7,7 мг/см2. Площадь катода была равна 2,3-2,9 см1.
В качестве катализатора риформинга использовали СuО (30% масс.) - ZnO (20% масс.) - Аl2O3, то есть СuО (31% мол.) - ZnO (16% мол.) - Аl2O3. Катализатор риформинга получали по способу совместного осаждения при использовании раствора нитрата меди, цинка и алюминия (общая концентрация металла составляла 1 моль/л) и водного раствора карбонатов натрия (1,1 моль/л). Осадок промывали деионизованной водой, отфильтровывали и высушивали на воздухе при 120°С в течение 12 часов. Высушенный порошок в количестве 1 г слегка спрессовывали до толщины 3,1 мм и диаметра 15,6 мм, а после этого прокаливали при 350°С в течение 2 часов.
В качестве электролита использовали мембрану из CsH2PO4 с толщиной 47 мкм.
Раствор метанол-вода (43% об. или 37% масс. или 25% мол. или 1,85 М метанола) подавали через стеклянный испаритель (200°С) с расходом 135 мкл/мин. Температуру элемента задавали равной 260°С.
Пример 4
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что через испаритель (200°С) при расходе 114 мкл/мин подавали не смесь метанол-вода, а смесь этанол-вода (36% об. или 31% масс. или 15% мол., или 0,98 М этанола).
Пример 5
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что при расходе 100 мкл/мин вместо смеси метанол-вода подавали водку (Absolut Vodka, Швеция) (40% об. или 34% масс., или 17% мол. этанола).
Сравнительный пример 2
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что вместо смеси метанол-вода использовали высушенный водород в количестве 100 стандартных кубических сантиметров в минуту, увлажненный горячей водой (70°С).
Сравнительный пример 3
Топливный элемент получали в соответствии с приведенным выше примером 3, за исключением того, что никакого катализатора риформинга не использовали, а температуру элемента задавали равной 240°С.
Сравнительный пример 4
Топливный элемент получали в соответствии со сравнительным примером 2, за исключением того, что температуру элемента задавали равной 240°С.
На фигуре 3 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для примеров 3, 4 и 5 и сравнительного примера 2. Как показано, для метанольного топливного элемента (пример 3) достигается пиковая удельная мощность 224 мВт/см2, что представляет собой значительное увеличение удельной мощности в сопоставлении с топливным элементом, полученным в соответствии с примером 1 и имеющим намного более толстый электролит. Данный метанольный топливный элемент также демонстрирует резкое улучшение эксплуатационных характеристик в сопоставлении с метанольными топливными элементами, не использующими внутреннего риформера, что лучше продемонстрировано на фигуре 4. Этанольный топливный элемент (пример 4) также демонстрирует увеличенные удельную мощность и напряжение элемента в сопоставлении с этанольным топливным элементом, имеющим более толстую мембрану электролита (пример 2). Однако, как показано, метанольный топливный элемент (пример 3) демонстрирует лучшие эксплуатационные характеристики в сопоставлении с этанольным топливным элементом (пример 4). Для водочного топливного элемента (пример 5) достигаются удельные мощности, сопоставимые с соответствующими характеристиками этанольного топливного элемента. Как продемонстрировано на фигуре 3, метанольный топливный элемент (пример 3) демонстрирует эксплуатационные характеристики, приблизительно такие же хорошие, как и у водородного топливного элемента (сравнительный пример 2).
На фигуре 4 продемонстрированы кривые зависимостей между удельной мощностью и напряжением элемента для сравнительных примеров 3 и 4. Как показано, для метанольного топливного элемента, не имеющего риформера, (сравнительный пример 3) достигаются удельные мощности, значительно меньшие в сопоставлении с соответствующими характеристиками, достигаемыми для водородного топливного элемента (сравнительный пример 4). Кроме того, на фигурах 2, 3 и 4 показано, что в сопоставлении с метанольным топливным элементом, не имеющим риформера (сравнительный пример 3), для метанольных топливных элементов, имеющих риформеры (примеры 1 и 3), достигаются значительно большие удельные мощности.
Предшествующее описание было представлено для ознакомления с предпочтительными в настоящий момент вариантами реализации изобретения. Специалисты в соответствующей области техники и технологии, к которой относится данное изобретение, должны понимать то, что в описанные варианты реализации могут быть внесены изменения и модификации без значительного отклонения от принципов, объема и сущности данного изобретения. В соответствии с этим приведенное выше описание не должно восприниматься как относящееся только к конкретным описанным вариантам реализации, но скорее должно пониматься как согласующееся со следующей далее формулой изобретения, которая содержит наиболее полный и наиболее объективный объем изобретения, и обосновывающее ее.
Claims (25)
1. Топливный элемент, включающий: анодный электрокаталитический слой, катодный электрокаталитический слой, слой электролита, содержащий твердую кислоту, газодиффузионный слой и катализатор внутреннего риформинга, расположенный рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем.
2. Топливный элемент по п.1, где твердый кислотный электролит содержит CsH2PO4.
3. Топливный элемент по п.1, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
4. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
5. Способ по п.4, где топливом является спирт.
6. Способ по п.4, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
7. Способ по п.4, где топливный элемент эксплуатируют при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
8. Способ по п.4, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
9. Способ по п.4, где электролит содержит твердую кислоту.
10. Способ по п.9, где твердая кислота содержит CsH2PO4.
11. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
12. Способ по п.11, где топливом является спирт.
13. Способ по п.11, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
14. Способ по п.11, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смеси оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
15. Способ по п.11, где электролит содержит твердую кислоту.
16. Способ по п.15, где твердая кислота содержит CsH2PO4.
17. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 500°С.
18. Способ по п.17, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
19. Способ по п.17, где топливный элемент эксплуатируют при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
20. Способ по п.17, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
21. Способ по п.17, где твердый кислотный электролит содержит CsH2PO4.
22. Способ эксплуатации топливного элемента, включающий:
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
формирование анодного электрокаталитического слоя;
формирование катодного электрокаталитического слоя;
формирование слоя электролита, содержащего твердую кислоту;
формирование газодиффузионного слоя и
формирование катализатора внутреннего риформинга рядом с анодным электрокаталитическим слоем, так, что катализатор внутреннего риформинга расположен между анодным электрокаталитическим слоем и газодиффузионным слоем и находится в физическом контакте с анодным электрокаталитическим слоем;
подачу спиртового топлива; и эксплуатацию топливного элемента при температуре в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С.
23. Способ по п.22, где топливо выбирают из группы, состоящей из метанола, этанола, пропанола и диметилового эфира.
24. Способ по п.22, где катализатор риформинга выбирают из группы, состоящей из смесей оксидов Cu-Zn-Al, смесей оксидов Cu-Co-Zn-Al и смесей оксидов Cu-Zn-Al-Zr.
25. Способ по п.22, где твердый кислотный электролит содержит CsH2PO4.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US55752204P | 2004-03-30 | 2004-03-30 | |
US60/557,522 | 2004-03-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006138048A RU2006138048A (ru) | 2008-05-10 |
RU2379795C2 true RU2379795C2 (ru) | 2010-01-20 |
Family
ID=35125391
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006138048/09A RU2379795C2 (ru) | 2004-03-30 | 2005-03-30 | Спиртовые топливные элементы прямого действия, использующие твердые кислотные электролиты |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US20050271915A1 (ru) |
EP (1) | EP1733448A4 (ru) |
JP (1) | JP2007531971A (ru) |
CN (1) | CN100492740C (ru) |
AU (1) | AU2005231162B2 (ru) |
BR (1) | BRPI0509094A (ru) |
CA (1) | CA2559028A1 (ru) |
RU (1) | RU2379795C2 (ru) |
WO (1) | WO2005099018A1 (ru) |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BRPI0511950A (pt) * | 2004-06-10 | 2008-01-29 | California Inst Of Techn | métodos de produzir um material de eletrólito para uma célula de combustìvel de ácido sólido e de depositar um eletrólito sobre um substrato, célula de combustìvel, e, métodos de preparar partìculas de uma camada de eletrocatalisador para uma célula de combustìvel de ácido sólido, de depositar um eletrocatalisador sobre um substrato e de selar uma célula de combustìvel |
JP4986902B2 (ja) * | 2008-03-24 | 2012-07-25 | フィガロ技研株式会社 | 電気化学式アルコールセンサ |
US20100062293A1 (en) * | 2008-09-10 | 2010-03-11 | Advent Technologies | Internal reforming alcohol high temperature pem fuel cell |
DE102010049794A1 (de) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | Diehl Aerospace Gmbh | Verfahren zur Erzeugung von Energie und die Verwendung eines Stoffgemisches zur Erzeugung von Energie |
BR112016003156A2 (pt) * | 2013-06-17 | 2024-01-23 | Hitachi Zosen Corp | Método de poupar energia em um sistema combinado de um dispositivo para produção de bioetanol e uma célula de combustível de óxido sólido |
WO2018145197A1 (en) | 2017-02-10 | 2018-08-16 | Marvick Fuelcells Ltd. | Hybrid fuel cell with polymeric proton exchange membranes and acidic liquid electrolyte |
SI25400A (sl) * | 2018-02-28 | 2018-09-28 | KavÄŤiÄŤ Andrej | Elektrokemični merilec vsebnosti etanola v tekočini s kovinskima katalizatorjema |
WO2020062307A1 (zh) * | 2018-09-30 | 2020-04-02 | 哈尔滨工业大学(深圳) | 直接乙醇燃料电池及其制备方法 |
CN111082094B (zh) * | 2019-12-31 | 2021-10-29 | 潍柴动力股份有限公司 | 冷启动装置、燃料电池发动机及冷启动方法 |
DE102021204452A1 (de) * | 2021-05-04 | 2022-11-10 | Siemens Mobility GmbH | Mitteltemperatur-Brennstoffzelle mit interner Reformierung und Schienenfahrzeug |
CN113851682A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-28 | 上海交通大学 | 一种泛燃料供应的固体酸燃料电池的制备方法 |
CN113851684B (zh) * | 2021-09-24 | 2023-05-09 | 上海交通大学 | 一种固体酸性盐、固体酸质子交换膜及制备方法 |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4137214A (en) * | 1977-07-07 | 1979-01-30 | Thiokol Corporation | Asbestos free friction compositions |
US4365007A (en) * | 1981-06-12 | 1982-12-21 | Energy Research Corporation | Fuel cell with internal reforming |
JPS59152205A (ja) * | 1983-02-14 | 1984-08-30 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | メタノ−ルの水蒸気改質法 |
JPS6286668A (ja) * | 1985-10-11 | 1987-04-21 | Hitachi Ltd | メタノ−ル改質型燃料電池 |
US4684581A (en) * | 1986-07-10 | 1987-08-04 | Struthers Ralph C | Hydrogen diffusion fuel cell |
JPH04274168A (ja) * | 1991-03-01 | 1992-09-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 内部改質型燃料電池 |
JP2948373B2 (ja) * | 1991-09-06 | 1999-09-13 | 三菱重工業株式会社 | 固体電解質型燃料電池の燃料電極 |
DE19734634C1 (de) * | 1997-08-11 | 1999-01-07 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle zur direkten Verstromung von Methanol |
DE19739773A1 (de) * | 1997-09-10 | 1999-03-11 | Basf Ag | Verfahren und Katalysator zur Dampfreformierung von Methanol |
WO1999017875A1 (fr) * | 1997-10-07 | 1999-04-15 | Nkk Corporation | Catalyseur pour la production d'hydrogene ou de gaz de synthese et procede de production correspondant |
US6468684B1 (en) * | 1999-01-22 | 2002-10-22 | California Institute Of Technology | Proton conducting membrane using a solid acid |
US7416803B2 (en) * | 1999-01-22 | 2008-08-26 | California Institute Of Technology | Solid acid electrolytes for electrochemical devices |
JP3496051B2 (ja) * | 2000-06-07 | 2004-02-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | メタノールの酸化的水蒸気改質反応による水素ガス製造触媒及びその製造法 |
JP2004515033A (ja) * | 2000-07-31 | 2004-05-20 | ヌバント・システムズ・インコーポレイテッド | 燃料電池内において使用される水素透過性膜と、燃料電池のアノード帯域に改質可能な触媒を有する部分改質燃料電池システム |
DE10061920A1 (de) * | 2000-12-13 | 2002-06-20 | Creavis Tech & Innovation Gmbh | Kationen-/protonenleitende keramische Membran auf Basis einer Hydroxysilylsäure, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung der Membran |
WO2003012894A2 (en) * | 2001-08-01 | 2003-02-13 | California Institute Of Technology | Solid acid electrolytes for electrochemical devices |
JP4265173B2 (ja) * | 2002-08-23 | 2009-05-20 | 日産自動車株式会社 | 発電装置 |
US6844100B2 (en) * | 2002-08-27 | 2005-01-18 | General Electric Company | Fuel cell stack and fuel cell module |
JP3997874B2 (ja) * | 2002-09-25 | 2007-10-24 | 日産自動車株式会社 | 固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法 |
US20040166386A1 (en) * | 2003-02-24 | 2004-08-26 | Herman Gregory S. | Fuel cells for exhaust stream treatment |
-
2005
- 2005-03-30 US US11/095,464 patent/US20050271915A1/en not_active Abandoned
- 2005-03-30 CA CA002559028A patent/CA2559028A1/en not_active Abandoned
- 2005-03-30 BR BRPI0509094-6A patent/BRPI0509094A/pt not_active Application Discontinuation
- 2005-03-30 CN CNB2005800089457A patent/CN100492740C/zh active Active
- 2005-03-30 RU RU2006138048/09A patent/RU2379795C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2005-03-30 JP JP2007506581A patent/JP2007531971A/ja active Pending
- 2005-03-30 AU AU2005231162A patent/AU2005231162B2/en not_active Ceased
- 2005-03-30 EP EP05732324A patent/EP1733448A4/en not_active Withdrawn
- 2005-03-30 WO PCT/US2005/010982 patent/WO2005099018A1/en active Application Filing
-
2008
- 2008-09-05 US US12/205,489 patent/US20090061274A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN100492740C (zh) | 2009-05-27 |
RU2006138048A (ru) | 2008-05-10 |
JP2007531971A (ja) | 2007-11-08 |
WO2005099018A1 (en) | 2005-10-20 |
US20090061274A1 (en) | 2009-03-05 |
BRPI0509094A (pt) | 2007-08-28 |
EP1733448A1 (en) | 2006-12-20 |
EP1733448A4 (en) | 2009-02-18 |
AU2005231162B2 (en) | 2010-10-28 |
CA2559028A1 (en) | 2005-10-20 |
CN1934742A (zh) | 2007-03-21 |
AU2005231162A1 (en) | 2005-10-20 |
US20050271915A1 (en) | 2005-12-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2379795C2 (ru) | Спиртовые топливные элементы прямого действия, использующие твердые кислотные электролиты | |
Baldauf et al. | Status of the development of a direct methanol fuel cell | |
US7527883B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
US6777116B1 (en) | Direct dimethyl ether fuel cells | |
EP1060535B1 (en) | Direct dimethyl ether fuel cells | |
AU2005261273A1 (en) | Method for producing fuel from captured carbon dioxide | |
Avgouropoulos et al. | Development of an internal reforming alcohol fuel cell: concept, challenges and opportunities | |
Dybiński et al. | Methanol, ethanol, propanol, butanol and glycerol as hydrogen carriers for direct utilization in molten carbonate fuel cells | |
Raduwan et al. | Challenges in fabricating solid oxide fuel cell stacks for portable applications: A short review | |
Hamnett | Fuel cells and their development | |
Rashad et al. | Hydrogen in fuel cells: an overview of promotions and demotions | |
Basu | Fuel cell systems | |
US6864001B2 (en) | Tetramethyl orthocarbonate fuel cells and systems and methods related thereto | |
Chaurasia et al. | Performance study of power density in PEMFC for power generation from solar energy | |
RU225231U1 (ru) | Устройство получения энергии | |
CN116121786B (zh) | 太阳能驱动的固体氧化物电解池分布式多联产系统及方法 | |
Kazeroonian et al. | Application of syngas in fuel cell | |
Dogan | Solid-oxide fuel cells operating with direct-alcohol and hydrocarbon fuels | |
JPH10255830A (ja) | 燃料電池の運転方法 | |
Irvine et al. | Fuel cells and the hydrogen economy | |
Nasir et al. | Advances in salt-based fuel cells technologies: A review | |
Wendt et al. | Electricity generation by fuel cells/Stromerzeugung in Brennstoffzellen | |
YILDIZ et al. | Department of Chemistry Hacettepe University Ankara 06532 Turkey | |
Pierozynski | Fuel cells-the future of electricity generation for portable applications | |
CN115799581A (zh) | 一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190331 |