RU87833U1 - FUEL CELL - Google Patents
FUEL CELL Download PDFInfo
- Publication number
- RU87833U1 RU87833U1 RU2008111369/22U RU2008111369U RU87833U1 RU 87833 U1 RU87833 U1 RU 87833U1 RU 2008111369/22 U RU2008111369/22 U RU 2008111369/22U RU 2008111369 U RU2008111369 U RU 2008111369U RU 87833 U1 RU87833 U1 RU 87833U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell according
- cathode
- gas
- carbon
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y02E60/526—
Abstract
1. Топливный элемент, включающий помещенные в резервуар электролит и пару электродов - анод и катод, каждый из которых выполнен в форме оболочки, ограничивающей его внутреннее пространство, по крайней мере, часть которой выполнена газопроницаемой и погружена в названный электролит, при этом катод соединен со средством, снабжающим его внутреннее пространство окислительным газом, отличающийся тем, что во внутреннее пространство анода помещен твердый углеродсодержащий материал. ! 2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, электролитом является расплав карбонатов лития, и/или калия, и/или натрия. ! 3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемая часть оболочки катода выполнена из металлической сетки таким образом, чтобы обеспечить удержание окислительного газа в его внутреннем пространстве посредством капиллярных сил. ! 4. Топливный элемент по п.3, отличающийся тем, что металлическая сетка оболочки катода имеет размер ячейки не менее 50 мкм. ! 5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемая часть оболочки катода выполнена из пористого материала таким образом, чтобы обеспечить удержание окислительного газа в его внутреннем пространстве посредством капиллярных сил. ! 6. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что пористым материалом является керамика. ! 7. Топливный элемент по п.6, отличающийся тем, что керамикой является манганит лантана. ! 8. Топливный элемент по п,1, отличающийся тем, что на поверхность газопроницаемой части оболочки катода нанесен катализатор. ! 9. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что катализатором, нанесенным на поверхность катода, является оксид никеля.1. A fuel cell comprising an electrolyte and a pair of electrodes — an anode and a cathode — placed in the reservoir, each of which is made in the form of a shell bounding its internal space, at least part of which is made gas permeable and immersed in the said electrolyte, while the cathode is connected to means supplying its inner space with oxidizing gas, characterized in that a solid carbon-containing material is placed in the inner space of the anode. ! 2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrolyte is a melt of lithium and / or potassium and / or sodium carbonates. ! 3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the gas-permeable part of the cathode shell is made of metal mesh in such a way as to ensure the retention of oxidizing gas in its internal space by capillary forces. ! 4. The fuel cell according to claim 3, characterized in that the metal mesh of the cathode shell has a mesh size of at least 50 μm. ! 5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the gas-permeable part of the cathode shell is made of porous material so as to ensure that the oxidizing gas is retained in its internal space by capillary forces. ! 6. The fuel cell according to claim 5, characterized in that the porous material is ceramic. ! 7. The fuel cell according to claim 6, characterized in that the ceramic is lanthanum manganite. ! 8. The fuel cell according to claim 1, characterized in that a catalyst is deposited on the surface of the gas-permeable part of the cathode shell. ! 9. The fuel cell of claim 8, wherein the catalyst deposited on the surface of the cathode is nickel oxide.
Description
Изобретение относится к топливным элементам - устройствам, преобразующим химическую энергию в электрическую и может использоваться как источник электрической энергии в любой отрасли промышленности, преимущественно - в энергетике, машиностроении и др.The invention relates to fuel cells - devices that convert chemical energy into electrical energy and can be used as a source of electrical energy in any industry, mainly in the energy sector, mechanical engineering, etc.
Топливный элемент - это электрохимический генератор, в процессе работы которого происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Основой его работы служат экзотермические окислительно-восстановительные реакции, что позволяет производить электричество и тепло электрохимическим способом без механических устройств, шума и вредных выбросов, поэтому топливные элементы являются альтернативными экологически чистыми источниками электроэнергии.A fuel cell is an electrochemical generator, in the process of which there is a direct conversion of chemical energy into electrical energy. The basis of his work is exothermic redox reactions, which allows the production of electricity and heat by the electrochemical method without mechanical devices, noise and harmful emissions, therefore fuel cells are alternative environmentally friendly sources of electricity.
Топливные элементы состоят в основном из пары пористых электродов - анода и катода, а также ионного проводника - электролита: раствора щелочи, кислоты, расплава солей или другого ионного проводника, расположенного между электродами. В топливных элементах, в отличие от другого электрохимического источника -аккумулятора, в течение его эксплуатации электроды и электролит не претерпевают химических превращений, а электроэнергия получается за счет электрохимического окисления топлива. Топливный элемент теоретически будет работать до тех пор пока к нему будет подводиться топливо и окислитель.Fuel cells consist mainly of a pair of porous electrodes - the anode and cathode, as well as an ionic conductor - an electrolyte: alkali solution, acid, molten salt or another ionic conductor located between the electrodes. In fuel cells, unlike another electrochemical source-accumulator, during its operation, electrodes and electrolyte do not undergo chemical transformations, and electricity is obtained due to electrochemical oxidation of fuel. The fuel cell will theoretically work as long as the fuel and oxidizer are supplied to it.
В зависимости от физического состояния электролита топливные элементы подразделяются на элементы с жидким электролитом и твердым электролитом. В зависимости от рабочей температуры они подразделяются на низко- и высокотемпературные. Во время работы через электроды топливного элемента пропускают реагенты: через анод - реагент, называемый топливом, а через катод - реагент, называемый окислителем. В результате суммарной окислительно-восстановительной реакции, организованной так, что на аноде идет электроокисление топлива, а на катоде идет электровосстановление окислителя, во внешней цепи между анодом и катодом возникает ЭДС, протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической реакции в электрическую энергию. Так как описанный процесс преобразования химической реакции в электрическую энергию не имеет промежуточной стадии генерации теплоты, то топливным элементам свойственно высокое значение КПД, который для различных типов топливных элементах может составлять от 45-60% и выше.Depending on the physical state of the electrolyte, fuel cells are divided into cells with liquid electrolyte and solid electrolyte. Depending on the operating temperature, they are divided into low and high temperature. During operation, reagents are passed through the electrodes of the fuel cell: through the anode, a reagent called fuel, and through the cathode, a reagent called oxidizer. As a result of the total redox reaction, organized in such a way that fuel is electrooxidized at the anode, and oxidizer is electroreduced at the cathode, an emf appears in the external circuit between the anode and cathode, a constant electric current flows, that is, a direct conversion of the chemical reaction into electric energy occurs . Since the described process of converting a chemical reaction into electrical energy does not have an intermediate stage of heat generation, fuel cells are characterized by a high efficiency value, which for various types of fuel cells can be from 45-60% and higher.
Недостатком топливных элементов является сложность в изготовлении, так как требуются специальные материалы, в том числе керамические, высокоактивные катализаторы, специальные средства контроля и управления температурой во время работы элементов, и т.п.Для этих типов топливных элементов необходима отдельная система подготовки топлива: производство водорода - для низкотемпературных элементов, или синтез-газа - для высокотемпературных, системы его отчистки, подачи. Все это, в свою очередь, приводит к высокой установочной стоимости топливных элементов.The disadvantage of fuel cells is the difficulty in manufacturing, since special materials are required, including ceramic, highly active catalysts, special means of temperature control and control during the operation of the elements, etc. For these types of fuel cells, a separate fuel preparation system is required: production hydrogen - for low-temperature elements, or synthesis gas - for high-temperature, systems for its cleaning, supply. All this, in turn, leads to a high installation cost of fuel cells.
Известны углеродно - воздушные топливные элементы, первая конструкция которых была предложена автором W.W.Jacques еще в 1986 г.Этот топливный элемент осуществлял прямое преобразование химической энергии в электрическую при окислении углеродного электрода. Однако первые попытки создания топливных элементов электрохимического окисления угля были неудачными из-за проблем, связанных с коррозией конструкционных материалов, деградацией и стабильностью электролита и рядом других проблем, обусловленных материалами. В настоящее время продолжаются попытки создания эффективных углеродно-воздушных топливных элементов.Carbon - air fuel cells are known, the first design of which was proposed by W.W. Jacques back in 1986. This fuel cell directly converted chemical energy into electrical energy during the oxidation of a carbon electrode. However, the first attempts to create fuel cells for the electrochemical oxidation of coal were unsuccessful due to problems associated with corrosion of structural materials, degradation and stability of the electrolyte, and a number of other problems caused by materials. Efforts to create efficient carbon-air fuel cells are ongoing.
Так, например, известен углеродно-воздушный топливный элемент, состоящий из теплоизолированного контейнера, катода, расположенного в названном контейнере и выполненного таким образом, чтобы формировать внутреннее воздушное пространство, анод в виде корзины, расположенной внутри катода, и частично помещенный в названный контейнер, и содержащий углерод, электролит в виде расплава гидроксида, выбранного из группы веществ, содержащей алюминий, кальций, цезий, калий, натрий, рубидий, стронций, или их смесь, по крайней мере частично заполняющий пространство между анодом и катодом, средство для пропускания кислородсодержащего потока газа через названный катод, где происходит электровосстановление с образованием отрицательных ионов [Патент США №6 200 697, МПК Н 01 М 27/00]. Ионы проходят через электролит и затем - через названную анодную корзину и контактирует с углеродом, чтобы произвести электрический заряд на названной анодной корзине и СO2, средство вне названного контейнера для протекания электричества от анодной корзины и названного катода и отдельное средство для отвода СО2 и водяного пара, образованных внутри контейнера. Кислородсодержащий поток газа содержит водяной пар, а электролит содержит оксиды и оксикислотоамид из группы веществ, содержащей оксидарсения, оксид антимония, оксид кремния и пирофосфаты и персульфаты калия и натрия.For example, a carbon-air fuel cell is known that consists of a thermally insulated container, a cathode located in the said container and configured to form an internal air space, an anode in the form of a basket located inside the cathode, and partially placed in the said container, and containing carbon, an electrolyte in the form of a molten hydroxide selected from the group of substances containing aluminum, calcium, cesium, potassium, sodium, rubidium, strontium, or a mixture thereof, at least partially filling th space between the anode and cathode, a means for passing an oxygen-containing gas stream through the cathode, where electroreduction with the formation of negative ions occurs [US Patent No. 6,200,697, IPC H 01 M 27/00]. Ions pass through the electrolyte and then through the aforementioned anode basket and are in contact with carbon to produce an electric charge on the anode basket and CO 2 , a means outside the named container for the flow of electricity from the anode basket and the cathode and a separate means for removing CO 2 and water steam formed inside the container. The oxygen-containing gas stream contains water vapor, and the electrolyte contains oxides and oxyacidamide from the group of substances containing oxidarsenia, antimonium oxide, silicon oxide and pyrophosphates and potassium and sodium persulfates.
Недостатком этого топливного элемента является сложность его конструкции, сложность проведения ремонтных и профилактических работ, высокая стоимость подготовки топлива и эксплуатации.The disadvantage of this fuel cell is the complexity of its design, the complexity of the repair and maintenance work, the high cost of fuel preparation and operation.
Электрохимическое окисление угля проходит при высоких температурах, поэтому топливные элементы прямого окисления угля относятся к высокотемпературным топливным элементам. В качестве электролита используют расплав щелочей или карбонатов, а так же твердооксидный электролит, в зависимости от типа электролита рабочая температура может составлять от 450 до 900°С.Electrochemical oxidation of coal takes place at high temperatures; therefore, direct-oxidized coal fuel cells are high-temperature fuel cells. As the electrolyte, a melt of alkalis or carbonates is used, as well as a solid oxide electrolyte, depending on the type of electrolyte, the operating temperature can be from 450 to 900 ° C.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является топливный элемент, содержащий помещенный в резервуар расплав карбонатов при температуре не ниже температуры плавления, пару электродов - анод и катод. Каждый электрод соединен со средством, снабжающим его рабочим газом, топливом - анод и окислителем - катод и поверхность, сопрягающуюся с расплавом карбонатов и содержащую катализатор, повышающий скорость протекания химической реакции окисления - на аноде и восстановления - на катоде. Каждый электрод выполнен в виде оболочки, ограничивающей его внутреннее пространство, заполненное рабочим газом, при этом, по крайней мере часть оболочки электрода погружена в расплав карбонатов и выполнена из металлической проволоки или сетки с обеспечением удержания рабочего газа внутри упомянутых оболочек электродов, а расплава карбоната - снаружи упомянутых оболочек посредством капиллярных сил [Патент РФ №2168807 МПК Н01М 8/14, Н01М4/86]. Этот топливный элемент принят за прототип изобретения. Его недостатком являются высокие. эксплуатационные затраты, а следовательно высокая цена единицы получаемой энергии.The closest analogue of the invention is a fuel cell containing a carbonate melt placed in a reservoir at a temperature not lower than the melting point, a pair of electrodes — an anode and cathode. Each electrode is connected to a means supplying it with working gas, fuel — the anode and oxidizing agent — a cathode and a surface that mates with the carbonate melt and contains a catalyst that increases the rate of the chemical oxidation reaction — at the anode and reduction — at the cathode. Each electrode is made in the form of a shell bounding its internal space filled with working gas, and at least part of the electrode shell is immersed in a carbonate melt and made of metal wire or mesh to ensure that the working gas is contained inside the said electrode shells, and the carbonate melt is outside the said shells by capillary forces [RF Patent No. 2168807 IPC Н01М 8/14, Н01М4 / 86]. This fuel cell is adopted as a prototype of the invention. Its disadvantage is high. operating costs, and therefore the high cost per unit of energy received.
Изобретение решает задачу создания топливного элемента, имеющего низкие эксплуатационные затраты и при этом - простую конструкцию.The invention solves the problem of creating a fuel cell having low operating costs and at the same time a simple design.
Поставленная задача решается тем, что предлагается топливный элемент, включающий помещенный в резервуар электролит, пару электродов - анод и катод, каждый из которых выполнен в форме оболочки, ограничивающей его внутреннее пространство, по крайней мере, часть которой выполнена газопроницаемой и погружена в названный электролит, при этом катод соединен со средством, снабжающим его внутреннее пространство окислительным газом, а во внутреннее пространство анода помещен твердый углеродсодержащий материал.The problem is solved in that a fuel cell is proposed that includes an electrolyte placed in a tank, a pair of electrodes - an anode and a cathode, each of which is made in the form of a shell bounding its internal space, at least part of which is made gas permeable and immersed in the said electrolyte, in this case, the cathode is connected to the means supplying its inner space with oxidizing gas, and solid carbon-containing material is placed in the inner space of the anode.
Предпочтительно в качестве электролита использовать расплав карбонатов, например, карбонатов лития и/или калия и и/или натрия.Preferably, a molten carbonate, for example lithium and / or potassium and / or sodium carbonate, is used as the electrolyte.
Газопроницаемая часть оболочки катода может быть выполнена, например, из металлической сетки таким образом, чтобы обеспечить удержание окислительного газа в его внутреннем пространстве посредством капиллярных сил. Размер ячейки сетки, обеспечивающий соблюдение этих условий - не менее 50 мкмThe gas-permeable part of the cathode shell can be made, for example, of a metal mesh in such a way as to ensure that the oxidizing gas is retained in its internal space by capillary forces. The mesh cell size that ensures compliance with these conditions is not less than 50 microns
Также газопроницаемая часть оболочки катода может быть выполнена из пористого материала таким образом, чтобы обеспечить удержание окислительного газа в его внутреннем пространстве посредством капиллярных сил. При этом пористым материалом может служить керамика, например, манганит лантана.Also, the gas-permeable part of the cathode shell can be made of porous material in such a way as to ensure retention of the oxidizing gas in its internal space by capillary forces. In this case, ceramics, for example, lanthanum manganite, can serve as a porous material.
Для интенсификации протекания электрохимической реакции на поверхность газопроницаемой части оболочки катода может быть нанесен катализатор химической реакции восстановления, например, оксид никеля.To intensify the course of the electrochemical reaction, a catalyst for the chemical reaction of reduction, for example, nickel oxide, can be deposited on the surface of the gas-permeable part of the cathode shell.
Газопроницаемая часть оболочки анода также может быть выполнена аналогично катоду - из металлической сетки или пористого керамического материала.The gas-permeable part of the anode shell can also be made similar to the cathode — from a metal mesh or porous ceramic material.
Окислительным газом преимущественно является смесь воздуха или кислорода с углекислым газом.The oxidizing gas is preferably a mixture of air or oxygen with carbon dioxide.
Целесообразно, чтобы анод имел средство, снабжающее его внутреннее пространство углеродсодержащим материалом непрерывно снизу или сверху.It is advisable that the anode has a means supplying its inner space with carbon-containing material continuously from below or from above.
Целесообразно, чтобы анод был снабжен средством удаления отработанного углеродсодержащего материала, состоящего из минеральных примесей (золы в случае угля), из его внутреннего пространства.It is advisable that the anode be equipped with a means of removing spent carbon-containing material, consisting of mineral impurities (ash in the case of coal), from its interior.
Твердым углеродсодержащим материалом могут быть: уголь, углерод содержащая пластмасса, древесные опилки, углеродсодержащие отходы, измельченные шины, и др.Solid carbon-containing material can be: coal, carbon-containing plastic, sawdust, carbon-containing waste, shredded tires, etc.
Целесообразно, чтобы углеродсодержащий материал предварительно был обезгажен путем его нагревания до температуры не менее 500°С.It is advisable that the carbon-containing material was previously degassed by heating it to a temperature of at least 500 ° C.
Для большей эффективности углеродсодержащий материал должен иметь размер фракции не более 10 мм.For greater efficiency, the carbon-containing material should have a fraction size of not more than 10 mm.
Катод может быть расположен вертикально и снабжаться окислительным газом снизу, при этом он может иметь, по меньшей мере, один газопроницаемый газоуловитель, улавливающим окислительный газ, прошедший через газопроницаемую оболочку катода и выполненный таким образом, чтобы удерживать газ за счет капиллярных сил.The cathode can be located vertically and supplied with oxidizing gas from below, while it can have at least one gas-permeable gas trap that traps the oxidizing gas passing through the gas-permeable cathode of the cathode and configured to retain gas due to capillary forces.
Во внутреннее пространство катода может быть помещен катализатор в форме оксидного порошка или гранул, например, манганит лантана.A catalyst in the form of an oxide powder or granules, for example, lanthanum manganite, can be placed in the interior of the cathode.
Также оболочка катода может быть выполнена из пористого оксидного материала.Also, the cathode sheath can be made of porous oxide material.
Анод может быть снабжен средством отвода газообразных продуктов реакции электрохимического окисления углерод содержащих топлив.The anode can be equipped with a means of removal of gaseous products of the reaction of electrochemical oxidation of carbon-containing fuels.
На Рис.1 схематично показан предлагаемый топливный элемент. Топливный элемент содержит резервуар 11, наполненный электролитом 12, например, расплавом карбонатов лития, или натрия или калия, или их смесью, в который помещена пара электродов - анод 13 и катод 14. Каждый электрод выполнен в виде оболочки, ограничивающей его внутреннее пространство и образованной, например, металлической сеткой, покрытой катализатором. Металлическая сетка катода может быть покрыта никелем. При работе топливного элемента происходит окисление никелевого покрытия катода и образуется катализатор для катода - оксид никеля. Внутреннее пространство анода 13 заполнено твердым углеродсодержащим материалом, например древесным углем, и соединяется со средством, снабжающим его углеродсодержащим материалом 15. Внутреннее пространство катода 14 заполнено окислительным газом - смесью воздуха и углекислого газа, и соединяется через газоподводящую магистраль 16 со средством, снабжающим его этой смесью и отводящим отработанные газы.Fig. 1 schematically shows the proposed fuel cell. The fuel cell contains a reservoir 11 filled with an electrolyte 12, for example, a molten lithium carbonate, or sodium or potassium carbonate, or a mixture thereof, in which a pair of electrodes is placed — anode 13 and cathode 14. Each electrode is made in the form of a shell bounding its internal space and formed for example, a metal mesh coated with a catalyst. The metal mesh of the cathode may be nickel plated. During operation of the fuel cell, the nickel coating of the cathode is oxidized and a catalyst for the cathode is formed - nickel oxide. The inner space of the anode 13 is filled with solid carbon-containing material, such as charcoal, and is connected to the means supplying it with carbon-containing material 15. The inner space of the cathode 14 is filled with oxidizing gas - a mixture of air and carbon dioxide, and is connected through the gas supply line 16 to the means supplying it with this mixture and exhaust gases.
Оболочка катода в виде металлической сетки выполнена таким образом, чтобы обеспечить удержание посредством капиллярных сил окислительного газа внутри оболочки 17, а расплава электролита, например, карбонатов 12 - снаружи.The cathode shell in the form of a metal mesh is made in such a way as to ensure the retention by capillary forces of the oxidizing gas inside the shell 17, and the molten electrolyte, for example, carbonates 12, from the outside.
В целях интенсификации химических процессов, протекающих в топливном элементе, (окисления на аноде и восстановления на катоде) поверхность катода, по крайней мере, в той части, где он соприкасается с расплавом карбонатов, покрыта слоем катализатора, или электрод может быть полностью выполнен из каталитически активного материала. Поскольку электроды работают в химически агрессивной среде, то к катализатору предъявляются требования не только высокой химической активности, но и высокой химической стойкости. Для катода в качестве катализатора может быть использован оксид никеля, либо манганит лантана.In order to intensify the chemical processes occurring in the fuel cell (oxidation at the anode and reduction at the cathode), the surface of the cathode, at least in that part where it contacts the molten carbonates, is coated with a catalyst layer, or the electrode can be completely made of catalytically active material. Since the electrodes operate in a chemically aggressive environment, not only high chemical activity requirements, but also high chemical resistance are imposed on the catalyst. Nickel oxide or lanthanum manganite can be used as a catalyst for the cathode.
При выполнении оболочки катода полностью из металлической сетки она должна быть полностью погружена в расплав карбонатов и содержать катализатор на всей поверхности. Оболочка электрода может быть выполнена комбинированной - частично глухой, частично газопроницаемой. В этом случае только газопроницаемая часть оболочки, должна быть погружена в расплав карбонатов, и содержать соответствующий катализатор.When the cathode shell is made entirely of metal mesh, it must be completely immersed in the carbonate melt and contain a catalyst on the entire surface. The electrode shell may be combined - partially deaf, partially gas permeable. In this case, only the gas-permeable part of the shell should be immersed in the molten carbonate, and contain the appropriate catalyst.
На Рис 2 приведена общая схема катода. Металлическая сетка, покрытая катализатором, или пористая каталитически активная матрица 22, погружена в расплав электролита, окислительный газ подается в полость катода по газовой магистрали 24. Газ может пробулькивать через оболочку катода и в виде пузырьков 23 и отводиться через свободную поверхность электролита.Figure 2 shows the general cathode diagram. The metal network coated with the catalyst, or the porous catalytically active matrix 22, is immersed in the molten electrolyte, the oxidizing gas is fed into the cathode cavity through the gas line 24. The gas can bubble through the cathode shell and in the form of bubbles 23 and be discharged through the free surface of the electrolyte.
На Рис.3 и Рис.4 приведены общие схемы анода, который представляет собой газопроницаемую оболочку, выполненную из металлической сетки 32, или пористой керамики 42. Анод погружен в расплав электролита. Газопроницаемая оболочка соединена с системой подачи углеродсодержащего топлива 34 или 44, которая одновременно является системой отвода газообразных продуктов реакции. Токосъемом анода является либо металлическая оболочка 32, либо, в случае керамической оболочки, проводящий электрод 45, вставленный в анодное пространство, заполненное топливом.Fig. 3 and Fig. 4 show the general diagrams of the anode, which is a gas-permeable shell made of metal mesh 32, or porous ceramic 42. The anode is immersed in the molten electrolyte. The gas-permeable shell is connected to a carbon-containing fuel supply system 34 or 44, which at the same time is a system for removing gaseous reaction products. The current collector of the anode is either a metal shell 32, or, in the case of a ceramic shell, a conductive electrode 45 inserted into the anode space filled with fuel.
Электроды могут располагаться попарно в одном общем резервуаре, заполненном расплавом карбонатов, рядами, как по высоте резервуара, так и по его ширине и объединяться в батарею топливных элементов с целью повышения снимаемого с них выходного напряжения, как показано на Рис.5. При этом отдельные топливные элементы электрически соединяются последовательно и располагаются один за другим. Катод одного топливного элемента, оболочка которого выполнена из сетки 51, которая ограничивает газовую полость 52, объединен с анодом соседнего элемента 53. Мелкие минеральные частицы или зола, которые могут содержаться в угле и других углеродсодержащих материалах, после того как органическая часть материала расходуется на электрохимическую реакцию, проникают через ячейки сетки анода и осаждаются на дно резервуара 54 т.к. их плотность выше, чем плотность электролита. В ходе непрерывной работы батареи минеральные частицы могут быть удалены из резервуара, через шлакозаборники 55.The electrodes can be arranged in pairs in one common tank filled with molten carbonates in rows, both in the height of the tank and in its width, and combined into a fuel cell battery in order to increase the output voltage removed from them, as shown in Fig. 5. In this case, the individual fuel cells are electrically connected in series and are arranged one after another. The cathode of one fuel cell, the shell of which is made of a grid 51, which delimits the gas cavity 52, is combined with the anode of the neighboring element 53. Fine mineral particles or ash that may be contained in coal and other carbon-containing materials, after the organic part of the material is spent on electrochemical reaction, they penetrate through the mesh cells of the anode and are deposited on the bottom of the tank 54 because their density is higher than the density of the electrolyte. During continuous operation of the battery, mineral particles can be removed from the tank through slag pits 55.
Топливный элемент работает следующим образом. Работа осуществляется при температуре не ниже температуры плавления электролита, например, карбонатов. При использовании в качестве топлива углерода на газопроницаемых поверхностях оболочек электродов протекают следующие реакции:The fuel cell operates as follows. Work is carried out at a temperature not lower than the melting temperature of the electrolyte, for example, carbonates. When using carbon as fuel, the following reactions occur on the gas-permeable surfaces of the electrode shells:
O2+2СO2+4е2СОз2 - на катоде,O 2 + 2CO 2 + 4e 2CO3 2 - at the cathode,
С+2СО3 2- 3СO2+4е или С+СО3 2-СО+СO2+2е- - на аноде.C + 2CO 3 2- 3CO 2 + 4e or C + CO 3 2- CO + CO 2 + 2e - - on the anode.
Полная реакция при окислении углерода в топливном элементе: С+O2=СO2 Complete reaction in the oxidation of carbon in a fuel cell: C + O 2 = CO 2
Во внутреннее пространство катода подается окислительный газ в виде смеси газов: кислорода (или воздуха) и углекислого газа СO2. При работе топливного элемента во внутреннем пространстве оболочки катода поддерживается избыточное давление газа на таком уровне, чтобы окислительный газ не выходил за пределы оболочки электрода, а расплав карбонатов оставался снаружи и не проникал во внутреннее пространство оболочки. При этом по краю отверстий оболочки катода образуется так называемая «тройная граница», где одновременно присутствуют соответствующий катализатор, окислительный газ и жидкий электролит (граница электролит-газ - твердое тело) и где протекает приведенная выше электрохимическая реакция с образованием карбонат - иона. Катализатором этой реакции служит, например, оксид никеля NiO, в качестве катализатора могут быть также использованы металлоокидные соединения со структурой перовскита, например, манганит лантана LaSrMnO.An oxidizing gas is supplied to the inner space of the cathode as a mixture of gases: oxygen (or air) and carbon dioxide CO 2 . During operation of the fuel cell in the inner space of the cathode shell, an excess gas pressure is maintained at a level such that the oxidizing gas does not extend beyond the electrode shell and the carbonate melt remains outside and does not penetrate into the inner space of the shell. At the same time, the so-called “triple boundary” is formed along the edge of the holes of the cathode shell, where the corresponding catalyst, oxidizing gas and liquid electrolyte (electrolyte gas – solid interface) are simultaneously present and where the above electrochemical reaction proceeds with the formation of a carbonate ion. The catalyst for this reaction is, for example, nickel oxide NiO, metal oxide compounds with a perovskite structure, for example, LaSrMnO lanthanum manganite, can also be used as a catalyst.
Топливом в топливном элементе является углеродсодержащий материал - уголь, графит и др., а электрохимическая реакция идет непосредственно на поверхности углерод со держащего твердого материала, который находится в электролите. В результате окисления углерода карбонатными ионами образуется углекислый газ и электроны, которые должны отводиться во внешнюю цепь. В случае, если анод выполнен в форме металлической или другой проводящей и газопроницаемой оболочки, электроны отводятся на оболочку, которая является токосъемом, и затем - во внешнюю цепь. Ток через нагрузку, например, лампочку, течет к катоду где протекает электрохимическая реакция с образованием карбонатных ионов. Таким образом, электрическая цепь замыкается.The fuel in the fuel cell is carbon-containing material - coal, graphite, etc., and the electrochemical reaction occurs directly on the surface of carbon containing solid material that is in the electrolyte. As a result of the oxidation of carbon by carbonate ions, carbon dioxide and electrons are formed, which must be removed to the external circuit. If the anode is made in the form of a metal or other conductive and gas-permeable shell, the electrons are transferred to the shell, which is a current collector, and then to the external circuit. The current through the load, for example, a light bulb, flows to the cathode where the electrochemical reaction proceeds with the formation of carbonate ions. Thus, the electrical circuit is closed.
В результате химических реакций, приведенных выше, во внешней цепи между анодом и катодом возникает напряжение и протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование энергии химической реакции в электрическую энергию. Эффективность преобразования химической энергии окисления топлива в электроэнергию для топливного элемента на углероде превосходит эффективность работы топливного элемента, работающего на водороде, природном газе или синтез газе и практически достигает величины более 80%.As a result of the chemical reactions described above, a voltage arises in the external circuit between the anode and cathode and a constant electric current flows, that is, there is a direct conversion of the energy of the chemical reaction into electrical energy. The efficiency of converting the chemical energy of fuel oxidation to electricity for a carbon fuel cell exceeds the efficiency of a hydrogen, natural gas, or synthesis gas fuel cell and practically reaches a value of more than 80%.
Испытания показали, что наибольшее напряжение разомкнутой цепи достигнуто при использовании в качестве топлива отходов углеродсодержащих пластмасс - 1.12 В. Далее в порядке убывания: уголь ДСШ - 1.08 В, древесный уголь - 1,02 В, антрацит - 0.97 В, углерод - 0.88 В. При использовании в качестве топлива отходов пластмассы достигнута удельная плотность мощности топливного элемента 110 мВт/см.Tests showed that the highest open-circuit voltage was achieved when using carbon-containing plastic waste as fuel - 1.12 V. Then, in decreasing order: DSSH coal - 1.08 V, charcoal - 1.02 V, anthracite - 0.97 V, carbon - 0.88 V. When using plastic waste as fuel, the specific power density of the fuel cell is 110 mW / cm.
Таким образом, предлагаемый топливный элемент имеет простую конструкцию, низкую стоимость, и низкие эксплуатационные затраты за счет того, что топливом для него могут служить твердые углеродсодержащие материалы, например, уголь, древесные опилки, пластмасса, бытовые и промышленные органические отходы и др.Thus, the proposed fuel cell has a simple design, low cost, and low operating costs due to the fact that solid carbon-containing materials, such as coal, wood chips, plastic, household and industrial organic waste, etc. can serve as fuel for it.
Claims (25)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111369/22U RU87833U1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | FUEL CELL |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111369/22U RU87833U1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | FUEL CELL |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU87833U1 true RU87833U1 (en) | 2009-10-20 |
Family
ID=41263363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008111369/22U RU87833U1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | FUEL CELL |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU87833U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012177652A1 (en) * | 2011-06-21 | 2012-12-27 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Protection of porous carbon fuel particles from boudouard corrosion |
| RU2634475C1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-10-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of producing anode material for fuel component with melted carbonate electrolyte |
-
2008
- 2008-03-24 RU RU2008111369/22U patent/RU87833U1/en active IP Right Revival
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012177652A1 (en) * | 2011-06-21 | 2012-12-27 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Protection of porous carbon fuel particles from boudouard corrosion |
| US9040205B2 (en) | 2011-06-21 | 2015-05-26 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Protection of porous carbon fuel particles from boudouard corrosion |
| RU2634475C1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-10-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of producing anode material for fuel component with melted carbonate electrolyte |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jayakumar et al. | A direct carbon fuel cell with a molten antimony anode | |
| RU2361329C2 (en) | Electrochemical cell with liquid anode | |
| Deleebeeck et al. | Hybrid direct carbon fuel cells and their reaction mechanisms—a review | |
| Kouchachvili et al. | Performance of direct carbon fuel cell | |
| US6200697B1 (en) | Carbon-air fuel cell | |
| CN203800125U (en) | Direct solid carbon fuel cell stack | |
| CN101800326B (en) | Two-electrolyte direct carbon fuel cell and assembling method thereof | |
| CN102125793A (en) | Method for capturing and purifying carbon dioxide | |
| Lee et al. | A performance study of hybrid direct carbon fuel cells: Impact of anode microstructure | |
| WO2013061067A1 (en) | Direct carbon electrochemical cell | |
| US7981563B2 (en) | Direct carbon fuel cell with pre-wetted carbon particles | |
| Cui et al. | Review of molten carbonate-based direct carbon fuel cells | |
| CN102723516B (en) | Direct carbon fuel cell device with liquid metal tin serving as anode | |
| RU87833U1 (en) | FUEL CELL | |
| US9040205B2 (en) | Protection of porous carbon fuel particles from boudouard corrosion | |
| CN108365238A (en) | A kind of liquid-metal fuel cell | |
| Meibuhr | Review of United States fuel-cell patents issued from 1860 to 1947 | |
| RU2168807C1 (en) | Fuel cell | |
| CN110957513A (en) | Direct coal fuel cell power generation system with near-zero carbon emission | |
| CN114032570B (en) | Carbon-assisted solid oxide electrolytic cell | |
| KR20120064682A (en) | Fuel cell | |
| CN104787763B (en) | Preparation method for the activation coke powder body of carbon consuming cell | |
| CN113430539B (en) | Method for improving carbon dioxide conversion rate in electrolytic reduction of carbon dioxide by using electrolysis system | |
| US6986957B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2023519435A (en) | Molten hydroxide direct carbon fuel cell and power generation device containing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20091108 |
|
| NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20110627 |