RU86796U1

RU86796U1 - FUEL CELL

Info

Publication number: RU86796U1
Application number: RU2008132792/22U
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Новиков; Константин Анатольевич Лагутин; Геннадий Анатольевич Белоусов
Original assignee: ООО "Технологии Топливной Энергетики" ТТЭ (Fuel Power Sustem Technologis, Ltd., FPST)
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2009-09-10

Abstract

1. Топливный элемент, содержащий корпус, катодную и анодную камеру, пористую мембрану, электроды с токовыводами, электролит, топливо и окислитель, отличающийся тем, что корпус содержит патрубки для подачи окислителя и восстановителя, мембрана выполнена гофрированной, а электроды выполнены с ребрами, причем ребра электродов помещены в углубления мембраны, образуя лабиринт для протекания окислителя и восстановителя, в состав анолита, выполняющего функцию топлива, входят водные растворы формиата и/или оксалата щелочного и/или щелочноземельного металла и/или соли аммония. ! 2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из металла, способного находиться в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром. ! 3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды. ! 4. Топливный элемент по пп.1 и 3, отличающийся тем, что засыпные электроды выполнены из магнитного материала, а корпус топливного элемента оснащен электромагнитом. ! 5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что в состав католита входит перекись водорода, выполняющего функцию окислителя. ! 6. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что он оснащен насосами для циркуляции топлива, окислителя и сорбционными фильтрами, насыщенными топливом (окислителем), топливные элементы собраны в блок, состоящий, по крайней мере, из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами и входами в последующих топливных элементах.1. A fuel cell comprising a housing, a cathode and anode chamber, a porous membrane, electrodes with current leads, an electrolyte, fuel and an oxidizing agent, characterized in that the housing comprises nozzles for supplying an oxidizing agent and a reducing agent, the membrane is corrugated, and the electrodes are made with fins, wherein the ribs of the electrodes are placed in the recesses of the membrane, forming a labyrinth for the flow of the oxidizing agent and reducing agent, the composition of the anolyte that performs the function of fuel includes aqueous solutions of alkali and / or alkaline earth formate and / or oxalate metal and / or ammonium salts. ! 2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of metal capable of being in a different valence state, from the series: copper, iron, nickel, silver, iron, chromium. ! 3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that in addition to the cathode and anode chamber, charging electrodes are placed. ! 4. The fuel cell according to claims 1 and 3, characterized in that the charge electrodes are made of magnetic material, and the fuel cell housing is equipped with an electromagnet. ! 5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the catholyte contains hydrogen peroxide, which acts as an oxidizing agent. ! 6. The fuel cell according to claim 1, characterized in that it is equipped with pumps for the circulation of fuel, oxidizer and sorption filters saturated with fuel (oxidizer), the fuel cells are assembled in a block consisting of at least two fuel cells, outputs from the first fuel cell is connected by pipelines to sorption filters and inlets in subsequent fuel cells.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области энергетики, в частности к устройствам для получения электроэнергии и предназначена для применения в энергоснабжении объектов, находящихся во взрыво- и огнеопасной среде, на автотранспорте, на морском транспорте, а также в средствах мобильной связи и автоматики.The proposed utility model relates to the field of energy, in particular to devices for generating electricity, and is intended for use in power supply of facilities located in explosive and flammable atmospheres, in motor vehicles, in sea transport, as well as in mobile communications and automation.

Известен топливный элемент /Патент РФ №2265643, C10L 1/12, C10L 1/18, 2005 г/, в котором окислитель представляет собой кислород воздуха и находится в непосредственном контакте с катодом. Катод выполнен с использованием методов трафаретной печати из 20% платины на активированном угле на водостойкой бумаге. Катод находится в контакте с электролитом, содержащимся в электролитной камере, и действует как барьер, препятствующий утечкам электролита. Электролит представляет собой 6 М водный раствор КОН. Электролитная камера отделена от топливной камеры анодом. Анод выполнен с использованием методов трафаретной печати из 20% платины и 10% рутения на активированном угле на гидрофильной копировальной бумаге. Топливная композиция, содержащаяся в топливной камере, вводится как анолит, состоящий из комбинации основного топлива, которое является поверхностно-активным соединением, таким как метанол, вспомогательного топлива, которое является водородсодержащим неорганическим соединением с высоким восстановительным потенциалом, таким как NaBH₄, и электролита, такого как 6 М раствор КОН. Электрическая цепь, состоящая из нагрузки и выключателя, электрически связывает анод с катодом.Known fuel cell / RF Patent No. 2265643, C10L 1/12, C10L 1/18, 2005 g /, in which the oxidizing agent is oxygen in the air and is in direct contact with the cathode. The cathode is made using screen printing methods of 20% platinum on activated carbon on waterproof paper. The cathode is in contact with the electrolyte contained in the electrolyte chamber, and acts as a barrier preventing electrolyte leaks. The electrolyte is a 6 M aqueous KOH solution. The electrolyte chamber is separated from the fuel chamber by the anode. The anode is made using screen printing methods of 20% platinum and 10% ruthenium on activated carbon on hydrophilic carbon paper. The fuel composition contained in the fuel chamber is introduced as an anolyte consisting of a combination of a main fuel, which is a surface-active compound, such as methanol, auxiliary fuel, which is a hydrogen-containing inorganic compound with a high reduction potential, such as NaBH ₄ , and an electrolyte, such as a 6 M KOH solution. An electrical circuit consisting of a load and a switch electrically connects the anode to the cathode.

Известен топливный элемент /Патент РФ №2079934, Н01М 8/10, Н01М 14/00, 1997 г./, в котором электродную пару образуют из сплошного металлического электрода и проволочной сетки, между которыми помещают полупроводниковый слой, полученный путем предварительного окисления поверхности сплошного электрода. Подачу реагентов, и отвод продуктов реакции, производят путем продувки смеси вдоль поверхности электродов. При этом в ходе реакции, протекающей у границы полупроводникового слоя сетки, возникает разность потенциалов, что вызывает ток в электрической нагрузке. В качестве газонепроницаемого электрода используется поверхность меди, которую предварительно окисляют до закиси меди (Сu₂O применялась в купоросных выпрямителях). Газопроницаемый (отрицательный) изготавливают из проволоки диаметром 0,2 мм. В качестве рабочей смеси используют состав 80% O₂ и 20% СО при атмосферном давлении.A known fuel cell / RF Patent No. 2079934, H01M 8/10, H01M 14/00, 1997 /, in which the electrode pair is formed from a solid metal electrode and a wire mesh, between which is placed a semiconductor layer obtained by pre-oxidizing the surface of a solid electrode . The supply of reagents, and the removal of reaction products, is carried out by purging the mixture along the surface of the electrodes. In this case, during the reaction proceeding at the boundary of the semiconductor layer of the grid, a potential difference arises, which causes a current in the electric load. As a gas-tight electrode, the copper surface is used, which is pre-oxidized to copper oxide (Cu ₂ O was used in vitriol rectifiers). Gas permeable (negative) is made of wire with a diameter of 0.2 mm. The composition of the mixture used is 80% O ₂ and 20% CO at atmospheric pressure.

Ближайшим аналогом является топливный элемент /Патент РФ №2308125, H01M 14/00, H01 M8/10, 2007 г./, в котором проточная электрохимическая ячейка для проведения реакции состоит из: катодной и анодной камеры, пористой мембраны между ними, помещенную в камеру двух дисковых графитовых электродов катода с токоподводом и анода с токоподводом, в катодную и анодную камеры помещают вспомогательные электроды, соединенные между собой диэлектрической осью из ударопрочного полистирола. Мембрана состоит из жидкого электролита, отвержденного гелеобразователем. Камеру мембраны предварительно заполняют электролитом с гелеобразователем, а затем электролит превращают в гель. Анод оснащен лопастями. В ячейку помещают электролит. В качестве электролита возможно использование сточной воды. В катодную камеру через барботер и патрубок подают воздух. Электролит из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит находящиеся в ионообменном фильтре. Выработка электроэнергии производится из сточных вод, подаваемых в ячейку через патрубок. Или же через этот патрубок подают попутный газ. Продукты окисления выводятся через патрубок.The closest analogue is a fuel cell / RF Patent No. 2308125, H01M 14/00, H01 M8 / 10, 2007 /, in which a flow-through electrochemical cell for the reaction consists of: a cathode and anode chamber, a porous membrane between them, placed in the chamber two disk graphite electrodes of the cathode with a current lead and anode with a current lead, in the cathode and anode chambers are placed auxiliary electrodes interconnected by a dielectric axis of high impact polystyrene. The membrane consists of a gel-cured liquid electrolyte. The membrane chamber is pre-filled with a gel-forming electrolyte, and then the electrolyte is gelled. The anode is equipped with blades. An electrolyte is placed in the cell. It is possible to use waste water as an electrolyte. Air is supplied to the cathode chamber through a bubbler and nozzle. The electrolyte from the near-electrode space is passed through a sorbent or ion exchanger located in the ion-exchange filter. Electricity is generated from wastewater supplied to the cell through a pipe. Or, through this pipe, associated gas is supplied. Oxidation products are discharged through the pipe.

Недостатком известных топливных элементов является то, что существующие топливные элементы в качестве топлива используют водород, метанол, сточные воды и другие легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные вещества. Для безопасной работы таких устройств, требуется их тщательная герметизация, сложные и дорогие устройства подачи топлива, окислителя. Электроды в топливных элементах изготавливаются из драгметаллов: платины, палладия. Они дороги и сложны в изготовлении. Существующие топливные элементы плохо адаптируются для работы во взрывоопасной среде, так как содержат взрывоопасную среду и сложные электрические и механические устройства.A disadvantage of the known fuel cells is that the existing fuel cells use hydrogen, methanol, waste water and other flammable, explosive and toxic substances as fuel. For the safe operation of such devices, they require careful sealing, complex and expensive devices for supplying fuel, an oxidizing agent. The electrodes in the fuel cells are made of precious metals: platinum, palladium. They are expensive and difficult to manufacture. Existing fuel cells are poorly adapted for operation in explosive atmospheres, as they contain explosive atmospheres and complex electrical and mechanical devices.

Задачей предполагаемого изобретения является создание топливного элемента, позволяющего получить электроэнергию из негорючего энергоносителя с применением дешевых электродов, способного работать во взрывоопасной среде.The objective of the proposed invention is the creation of a fuel cell that allows you to get electricity from a non-combustible energy source using cheap electrodes that can work in explosive atmospheres.

Поставленная задача достигается тем, что в топливном элементе, содержащем корпус, катодную и анодную камеру, пористую мембрану, электроды с токовыводами, электролит, топливо и окислитель, корпус содержит патрубки для подачи окислителя и восстановителя, мембрана выполнена гофрированной, а электроды выполнены с ребрами, причем ребра электродов помещены в углубления мембраны, образуя лабиринт для протекания окислителя и восстановителя, в состав анолита, выполняющего функцию топлива, входят водные растворы формиата и/или оксалата щелочного и/или щелочноземельного металла и/или соли аммония.This object is achieved in that in a fuel cell containing a housing, a cathode and anode chamber, a porous membrane, electrodes with current leads, an electrolyte, fuel and an oxidizing agent, the housing contains nozzles for supplying an oxidizing agent and a reducing agent, the membrane is corrugated, and the electrodes are made with fins, moreover, the edges of the electrodes are placed in the recesses of the membrane, forming a labyrinth for the flow of the oxidizing agent and reducing agent, the composition of the anolyte, which performs the function of fuel, includes aqueous solutions of alkali formate and / or oxalate and / or an alkaline earth metal and / or ammonium salts.

Электроды выполнены из металла, способного находится в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром.The electrodes are made of metal capable of being in a different valence state, from the series: copper, iron, nickel, silver, iron, chromium.

Дополнительно в прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды.Additionally, filling electrodes are placed in the cathode and anode cells.

Засыпные электроды выполнены из магнитного материала, а корпус топливного элемента оснащен электромагнитом.The filling electrodes are made of magnetic material, and the fuel cell housing is equipped with an electromagnet.

В состав католита, входит перекись водорода, выполняющего функцию окислителя.The composition of catholyte includes hydrogen peroxide, which acts as an oxidizing agent.

Он оснащен насосами для циркуляции топлива, окислителя и сорбционными фильтрами, насыщенными топливом (окислителем), топливные элементы собраны в блок, состоящий по крайней мере из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами и входами в последующих топливных элементах.It is equipped with pumps for the circulation of fuel, oxidizer and sorption filters saturated with fuel (oxidizer), fuel cells are assembled in a unit consisting of at least two fuel cells, the outlets of the first fuel cell are connected by pipelines to the sorption filters and inlets in subsequent fuel cells.

Общий вид топливного элемента показан на Фиг.1. На Фиг.2 показан блок, состоящий из двух топливных элементов.A general view of the fuel cell is shown in FIG. Figure 2 shows a block consisting of two fuel cells.

Топливный элемент содержит корпус 1, два электрода 2 с токовыводами 3, мембрану 4, входящие и выходящие патрубки соответственно для окислителя 5 и восстановителя 6, через патрубки топливо и окислитель поступают соответственно в прианодную 7 и прикатодную 8 камеру. Электроды 2 выполнены с ребрами, а мембрана 4 выполнена гофрированной, ребра электродов помещаются в углубления мембраны Электроды и мембрана образуют лабиринт, в котором протекает окислитель и восстановитель от входящих патрубков к выходящим. Электроды выполнены из металла, способного находится в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром. В прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды 9, выполненные из магнитного материала, а на корпус топливного элемента помещена катушка индуктивности 10. Топливный элемент оборудован насосами 11 для циркуляции топлива и окислителя.The fuel cell contains a housing 1, two electrodes 2 with current leads 3, a membrane 4, inlet and outlet nozzles for oxidizer 5 and reductant 6, respectively, and fuel and oxidizer enter the anode 7 and near-cathode 8 cells, respectively, through the nozzles. The electrodes 2 are made with ribs, and the membrane 4 is corrugated, the edges of the electrodes are placed in the recesses of the membrane. The electrodes and the membrane form a labyrinth in which the oxidizing agent and reducing agent flow from the incoming pipes to the outgoing ones. The electrodes are made of metal capable of being in a different valence state, from the series: copper, iron, nickel, silver, iron, chromium. Fill electrodes 9 made of magnetic material are placed in the near-cathode and near-anode chambers, and an inductor 10 is placed on the fuel cell body. The fuel cell is equipped with pumps 11 for circulating fuel and oxidizer.

В случае, когда топливные элементы собраны в блок выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами и сорбционными фильтрами 12, насыщенными топливом (окислителем), стабилизирующем концентрацию топлива(окислителя), с входами в последующих топливных элементах при подаче их в прикатодную и прианодные камеры.In the case when the fuel cells are assembled into the unit, the exits from the first fuel cell are connected by pipelines and sorption filters 12 saturated with fuel (oxidizing agent), which stabilizes the concentration of fuel (oxidizing agent), with inlets in subsequent fuel cells when feeding them to the near-cathode and anode chambers.

При этом топливо, очищенное от продуктов окисления, направляется в следующий топливный элемент.In this case, the fuel purified from oxidation products is sent to the next fuel cell.

Топливный элемент работает следующим образом:The fuel cell works as follows:

Раствор или суспензию энергоносителя (формиаты, оксалаты) с концентрацией от 1 до 90% насосом или самотеком подают через входящий патрубок 5 в нижнюю часть прикатодной камеры 8 топливного элемента.A solution or suspension of an energy carrier (formates, oxalates) with a concentration of from 1 to 90% is pumped or gravity fed through an inlet pipe 5 to the lower part of the cathode chamber 8 of the fuel cell.

Раствор окислителя (перекиси водорода) подают самотеком или насосом в нижнюю часть при анодной камеры 7 топливного элемента. Воздух подают компрессором, воздуходувкой, вентилятором или естественной конвекцией. Раствор энергоносителя и окислителя проходит через лабиринт, образованный ребрами на электродах 2 и мембраною 4.The oxidizing agent solution (hydrogen peroxide) is fed by gravity or by pump to the lower part at the anode chamber 7 of the fuel cell. Air is supplied by a compressor, blower, fan or natural convection. The solution of the energy carrier and the oxidizing agent passes through the labyrinth formed by the ribs on the electrodes 2 and the membrane 4.

На катоде происходит процесс окисления анионов топлива:At the cathode, the oxidation of fuel anions takes place:

По следующему механизму:By the following mechanism:

На аноде происходит процесс восстановления:The recovery process takes place on the anode:

Генерируется разница потенциалов от 0,3 до 1,4 В. Плотность тока от 100 до 1000 мА/дм2. Через мембрану 4 проходят гидратированные протоны или гидроксил-анионы. Аналогично происходят процессы с другими энергоносителями и металлическими электродами. Топливные элементы собраны в блок, состоящий по крайней мере из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами 12 и входами в последующих топливных элементах., причем частично сработавшиеся топливо и окислитель после очистки на сорбционных фильтрах 12 поступают во второй топливный элемент. Продукт окисления - бикарбонат и вода выходят из выходящего патрубка. Непрореагировавшая часть топлива поступает в сорбционный фильтр 12, насыщенный ионами формиата (оксалата). Бикарбонат вытесняет формиат, сорбируясь на фильтре. На выходе из фильтра та же концентрация формиата, что и в растворе. Раствор топлива поступает в следующий топливный элемент. Поскольку концентрация топлива в растворе та же, что и на входе, топливный элемент генерирует ту же мощность. При исчерпании сорбционного фильтра, потенциал сразу падает до нуля. При этом первый топливный элемент еще работает. Данная комбинация потенциалов является сигналом к регенерации фильтра. Регенерация фильтра осуществляется прогревом до температуры 60-80°С. При этом выделяется чистый углекислый газ. Затем прокачкой раствором энергоносителя восстанавливается сорбционный потенциал фильтра.The potential difference is generated from 0.3 to 1.4 V. The current density is from 100 to 1000 mA / dm2. Hydrated protons or hydroxyl anions pass through membrane 4. Similarly, processes occur with other energy carriers and metal electrodes. The fuel cells are assembled in a block consisting of at least two fuel cells, the outlets of the first fuel cell are connected by pipelines to the sorption filters 12 and the inlets in the subsequent fuel cells. Moreover, the partially fused fuel and oxidizer after cleaning on the sorption filters 12 enter the second fuel cell element. The oxidation product is bicarbonate and water leaves the outlet pipe. The unreacted part of the fuel enters the sorption filter 12, saturated with formate ions (oxalate). Bicarbonate displaces formate, adsorbed on the filter. At the outlet of the filter, the same concentration of formate as in the solution. The fuel solution enters the next fuel cell. Since the concentration of fuel in the solution is the same as that at the inlet, the fuel cell generates the same power. When the sorption filter is exhausted, the potential immediately drops to zero. In this case, the first fuel cell is still operating. This combination of potentials is a signal for filter regeneration. The regeneration of the filter is carried out by heating to a temperature of 60-80 ° C. In this case, pure carbon dioxide is released. Then, by pumping the energy solution, the sorption potential of the filter is restored.

Чистый углекислый газ - ценное сырье, применяемой в сварочном производстве, пищевой промышленности, агробизнесе и имеет стоимость, сопоставимую со стоимостью топлива. Поэтому выработка электроэнергии осуществляется наиболее дешевым способом.Pure carbon dioxide is a valuable raw material used in the welding industry, food industry, agribusiness and has a cost comparable to the cost of fuel. Therefore, the generation of electricity is carried out in the cheapest way.

Предлагаемое устройство позволяет исключить взрыво- огнеопасные детали топливного элемента, произвести дешевую электроэнергию в устройстве без применения дорогостоящих электродов из драгметаллов.The proposed device allows to exclude explosive and flammable parts of the fuel cell, to produce cheap electricity in the device without the use of expensive electrodes from precious metals.

Claims

1. A fuel cell comprising a housing, a cathode and anode chamber, a porous membrane, electrodes with current leads, an electrolyte, fuel and an oxidizing agent, characterized in that the housing comprises nozzles for supplying an oxidizing agent and a reducing agent, the membrane is corrugated, and the electrodes are made with fins, wherein the ribs of the electrodes are placed in the recesses of the membrane, forming a labyrinth for the flow of the oxidizing agent and reducing agent, the composition of the anolyte that performs the function of fuel includes aqueous solutions of alkali and / or alkaline earth formate and / or oxalate metal and / or ammonium salts.

2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of metal capable of being in a different valence state, from the series: copper, iron, nickel, silver, iron, chromium.

3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that in addition to the cathode and anode chamber, charging electrodes are placed.

4. The fuel cell according to claims 1 and 3, characterized in that the charge electrodes are made of magnetic material, and the fuel cell housing is equipped with an electromagnet.

5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the catholyte contains hydrogen peroxide, which acts as an oxidizing agent.

6. The fuel cell according to claim 1, characterized in that it is equipped with pumps for the circulation of fuel, oxidizer and sorption filters saturated with fuel (oxidizer), the fuel cells are assembled in a block consisting of at least two fuel cells, outputs the first fuel cell is connected by pipelines to sorption filters and inlets in subsequent fuel cells.