SE501120C2 - Förfarande för produktion av elektrisk energi i en biobränsledriven bränslecell - Google Patents

Description

501 120 2 nämligen att vid framställningen uppstår en avsevärd mängd koldioxid. Vätgas framställs numera nästan uteslutande från naturgas, och den vid denna framställningsprocess bildade koldioxiden bidrar till den s k växthuseffekten.

Tidigare sätt att utnyttja energiinnehàllet i bio- bränslen har t ex varit att direkt förbränna dem, t ex i form av ved, och dra nytta av den uppkomna temperatur- ökningen, dvs den frigjorda värmen. Vidare har man för- gasat biobränslena för erhållande av en blandning av vät- gas och kolmonoxid, som därefter kan förbrännas direkt i en lämplig apparat eller förenas kemiskt under inverkan av en lämplig katalysator för bildning av metanol, metan, fotogen eller andra kolhaltiga bränslen. Dessutom kan man genom en lämplig reaktion omvandla biobränslet eller en del därav till jäsbart socker, som sedan jäses till eta- nol. Denna etanol kan därefter användas i t ex förbrän- ningsmotorer, antingen separat eller i blandning med ben- sin.

Det är tidigare känt att använda vanadinsulfat eller andra vanadinföreningar i elektrokemiska celler (se M.

Skyllas-Kazacos och F. Grossmith, J. Electrochem. Soc. 134 (1987) 2950; M. Skyllas-Kazacos, M. Rychick och R. Robins, US-patentet 4 786 567, 188; B. Sun och M. Skyllas-Kazacos, Electrochim. Acta, 36 (1991) 513; och M. Kazacos, M. Cheng 12 (1982) 87). Det rör sig därvid om en elektriskt regenererbar och M. Skyllas-Kazacos, J. Appl. Electrochem. ackumulator, som utvecklats av Skyllas-Kazacos et al. Om vi speciellt betraktar vanadinbaserade bränsleceller och om det använda bränslet är vätgas kan hänvisning göras till de kemiskt regenererbara celler som utvecklats av J. Appl.

Electrochem. 15 (1985) 619; och J.T. Kummer och D.G. Oei, J. Appl. Electrochem. 12 (1982) 87).

Vidare är det känt att i bränsleceller använda glukos som bränsle (se J.R. Rao, G.J. Richter, F. von Sturm och E. Weidlich, Bioelectrochem. Bioenerg. 3 (l976( 139).

Kummer och Oei (se J.T. Kummer och D.G. Oei, Dessa bränsleceller är avsedda att implanteras i kroppen 501 120 3 för drift av pacemakers. Emellertid oxideras glukosen endast till glukonsyra, och endast en liten del av gluko- sens reducerande kapacitet utnyttjas. Bränsleceller där polyalkoholer (se W. Hertl och H.H. weetall, Bioelectro- chem. 14 (1985) 357; och W. Hertl och R.G.

Schaeffler, US-patentet 4 578 323, 25 mars 1986) eller kolhydrater (se W. Hertl och H.H. Weetall, Bioelectrochem.

Bioenerg. 14 (1985) 367; och W. Hertl och R.G. Schaeffler, US-patentet 4 578 323, 25 mars 1986) används med t ex Bioenerg. antrakinon som katalysator, är också kända, men dessa kräver belysning för att alstra elektrisk ström.

Vidare finns det kända sätt att utvinna elektricitet ur redoxbatterier, t ex med hjälp av Ti/Fe (se DOE/NASDA/12 726-24; NASA TM-83677; N.H. Hagedorn, ”NASA Redox Storage System Development Project", oktober 1984; ERDA/NASA 1022/77/10; NASA TM-X-73669: M.A. Reid och R.F.

Gahn, Electrode Kinetics of some Iron/Titanium Redox Flow "Factors affecting the Open-circuit Voltage and Cells", 1987; och C.C. Liu, R.T. Galasco och R.F.

Savinelli, J. Electrochem. Soc. 126 (1979) 357, 128 (1981) 1755; 129 (1982) 2502), eller vanadin(V)/vanadin(II) (se M. Skyllas-Kazacos och F. Grossmith, J. Electrochem. Soc. 134 (1987) 2950), men i samtliga dessa system används elektricitet och inte en kemisk reaktion för uppladdning- en.

Uppfinningens bakgrund Det är sålunda ej tidigare känt att använda kolhydra- ter som bränsle i kombination med vanadin i elektrolyt- lösningen för produktion av elenergi i en bränslecell.

Inte i någon av de ovan angivna publikationerna beskrivs eller antyds utnyttjande av nämnda kombination.

Det föreligger en global strävan att finna alterna- tiva sätt att producera elektrisk energi, däribland alter- nativa bränslen till t ex fordonsmotorer. Förr eller senare kommer jordens fossila bränslen att ha utarmats, sà även allt uran, varför användning av biobränslen, dvs bränslen baserade på odlingsbart, biologiskt material, kan 501 120 4 bli högintressanta. Dessutom eftersträvas en lindring av den s k växthuseffekten, som bl a uppstår pà grund av ökade koldioxidutsläpp till atmosfären.

Uppfinningens syfte Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förfarande för produktion av elektrisk energi med hög verkningsgrad i en bränslecell med ett miljövänligt, lätt- tillgängligt och ofarligt bränsle.

Ovannämnda syfte uppnås med hjälp av ett förfarande av inledningsvis nämnt slag och med de i de efterföljande patentkravens kännetecknande del angivna särdragen.

Sammanfattning_av uppfinningen Med föreliggande uppfinning àstadkoms ett förfarande för produktion av elektrisk energi i en biobränsledriven bränslecell, vid vilket förfarande bränsle sätts till en första reaktor 1 i bränslecellens minushalva, där det under inverkan av en första katalysator 2 bringas att reagera med en första sur metallsaltlösning för fullstän- dig oxidation av bränslet till koldioxid och reduktion av metallen; bildad C02 töms ut fràn den första reaktorn 1; den första sura saltlösningen av reducerad metall leds till en anod 9 i en elektrokemisk cell 14 för oxida- tion av metallen; den första sura metallsaltlösningen därefter recirku- leras till reaktorn 1; ett oxidationsmedel sätts till en andra reaktor 17 i bränslecellens pluspolhalva, där oxidationsmedlet under inverkan av en andra katalysator 18 bringas att reagera med en andra sur metallsaltlösning för oxidation av metal- len däri; bildad restprodukt leds ut från reaktorn 17; den andra sura metallsaltlösningen därefter leds till en katod 11 i den elektrokemiska cellen 14 för reduktion av metallen; 501 120 den andra sura metallsaltlösningen därefter recirku- leras till den andra reaktorn 17, varvid anoden 9 och katoden ll i den elektrokemiska cellen 14 endast är åt- skilda av ett vätejongenomträngligt membran 13, genom vilket vätejoner från katoden ll transporteras till anoden 9 för produktion av elektrisk energi, varvid förfarandet kännetecknas av att metallen i den första sura metall- saltlösningen bildar ett redoxpar med en normalpotential mellan -0,1 och 0,7 V och att metallen i den andra sura metallsaltlösningen bildar ett redoxpar med en normal- potential mellan 0,7 och 1,3 V, varvid båda metallerna företrädesvis är vanadin, (V)/(III) respektive vanadin(IV)/(IV); att kolhydrat sätts som bränsle till den första reak- som bildar redoxparen vanadin- torn 1, och att reaktionen i den första reaktorn 1 utförs i när- varo av platina eller rutenium som den första katalysatorn 2.

Vid föreliggande uppfinning utnyttjas kolhydratets, närmare bestämt sockrets, energiinnehåll i långt högre grad än vad som varit möjligt med tidigare bränsleceller där glukos används som bränsle. En jämförelsevis klart högre verkningsgrad uppnås, främst på grund av utnyttjande av vanadin i bränslecellens elektrolytlösning. Jämfört med användning av socker som råvara för framställning av eta- nol och sedan användning av etanolen i en förbrännings- motor är föreliggande förfarande att föredra eftersom en större verkningsgrad uppnàs. Detta beror dels på bräns- lecellens högre teoretiska verkningsgrad jämfört med en värmemaskin, dels - för de fall man driver ett elfordon - den elektriska motorns höga verkningsgrad. Fördelarna med såsom kolhydrater, är att till- gången i allmänhet är riklig och att de är relativt miljö- användning av biobränslen, vänliga och helt ogiftiga som bränslen. Dessutom kan sockerarter som inte är förjäsningsbara till etanol använ- das. Vid föreliggande uppfinning bildas visserligen kol- dioxid vid den fullständiga förbränningen av kolhydraten, 501 120 6 men i en ungefär lika stor mängd som krävs av naturen för återskapande av kolhydrater. Ur svensk jordbrukspolitisk synpunkt har föreliggande uppfinning stora fördelar då den ger anledning till att upprätthålla ett under sekler ut- vecklat jordbruk och slå vakt om en landskapstyp vi alla kommit att uppskatta.

Den spänning som alstras i det till föreliggande upp- finning använda batteriet är likspänning. Detta öppnar ett användningsområde för den elektrokemiska industrin, för t ex kloralkaliproduktion. Man undgår härvid effektförlus- ter genom transformering och likriktning. Bränslet kan tillföras den elektrokemiska industrin lokalt och alltså där omvandlas i elkraft.

Beskrivning_av ritningen Uppfinningen kommer i det följande att närmare be- skrivas med hänvisning till bifogade ritning, som prin- cipiellt motsvarar den beänslecell som beskrivits av J.T.

Kummer och D-G Oei, 12 (1982) 87 resp 15 (1985) 619.

Ritningen avser en bränslecell för produktion av J. Appl. Electrochem. elektrisk energi. I förenklande syfte kan bränslecellen anses vara uppdelad i två halvor. På samma halva som bränslecellens minuspol, dvs på högra sidan på ritningen, finns en första reaktor 1 innehållande en katalysator 2.

Till reaktorn 1 leder en bränsleledning 3 för tillförsel av bränsle. Från reaktorn l leder en utloppsledning 4 för utsläpp av oönskad reaktionsprodukt samt en ledning 5 för transport av elektrolytlösning till en första behållare 6.

Från behållaren 6 kan elektrolytlösningen med hjälp av en pump 7 transporteras genom en ledning 8 till minuspolen hos en elektrokemisk cell 14. Den elektrokemiska cellen 14 är med hjälp av ett membran 13 uppdelad i två utrymmen. I ett första cellutrymme 10 finns en anod 9, och i ett andra cellutrymme 12 finns en katod ll. De båda cellutrymmena 10 och 12, och därmed även anoden 9 och katoden ll, är så- lunda åtskilda av membranet 13. Från det första cellut- rymmet 10 går en ledning 15 för återföring av elektrolyt- 501 120 7 lösning till den första reaktorn 1. Från det andra cell- utrymmet 12, som befinner sig på samma halva som bränsle- cellens pluspol, går en ledning 16 för återföring av elektrolytlösning till en andra reaktor 17, som inbegriper en andra katalysator 18. Från den andra reaktorn 17 går en utloppsledning 19 samt en ledning 20 för transport av elektrolytlösning till en behållare 21. Till den andra reaktorn 17 leder en inloppsledning 24 för tillförsel av syre. Med hjälp av en pump 22 kan lösningen ledas via en ledning 23 tillbaka till det andra cellutrymmet 12. I bränslecellen finns sålunda två separata cirkulationssys- tem, ett på varje halva, där de två cirkulerande elektro- lytlösningarna endast är åtskilda av membranet 13 i den elektrokemiska cellen 14.

Beskrivning4av utföringsformer Det som biobränsle använda kolhydratet kan innefatta disackarider som monosackarider, såsom glukos, fruktos, maltos, sackaros (rörsocker, betsocker) och pentoser som xylos och arabinos. Kolhydratet kan även innefatta poly- sackarider som kan hydrolyseras till monosackarider, t ex cellulosa, stärkelse och amylos. Även melass eller en hydrolysprodukt därav är innefattade. Företrädesvis an- vänds vanligt socker, dvs sackaros med formeln Cl2H220ll, glukos med formeln C6H12O6 och xylos med formeln CSHIOOS.

H O 12 22 11' sackarider, oligosackarider och hydrolysprodukter av poly- med formeln C Även andra ej här uppräknade mono- sackarider är innefattade i begreppet kolhydrat.

Företrädesvis sätts vanligt socker till reaktorn 1.

Sockret kan tillsättas i fast form, även oligo- och poly- sackarider, men kan även vara upplöst i förväg i en lämp- lig lösning. Koncentrationen av socker i reaktorn 1 bör ligga i intervallet ca 0,001-0,1 M, företrädesvis ca 0,003 M. Den första katalysatorn 2 i den första reaktorn 1 är tillverkad av en ädelmetall, eller platina, och allra helst platina. Dess uppgift är företrädesvis rutenium att fullständigt oxidera socker enligt reaktionen ()1 1220 + 13 H o -> 12 co + 48 H* + 48 e' °1z"22°11 2 2 Den första katalysatorn 2 föreligger i finfördelat till- stånd, antingen separat eller dispergerad på en bärare.

Som bärarmaterial för katalysatormetallen används företrä- desvis kol, kiseldioxid, titandioxid, zirkoniumdioxid eller något annat material som inte löser sig i den sura elektrolytlösningen och vid den relativt höga temperatu- ren. Vidare är katalysatorn anordnad så att den inte lämnar den första reaktorn l tillsammans med den cirkule- rande elektrolytlösningen. Det till den första reaktorn l satta sockret löses upp i och reagerar med elektrolytlös- ningen, som är en sur metallsaltlösning. Den sura metall- saltlösningen utgörs av ett salt av en metall löst i en stark syra. Den starka syran är företrädesvis svavelsyra eller fosforsyra, helst svavelsyra, och har en koncentra- tion av ca 0,05 till ca 5,0 M. Den sura metallsaltlös- ningen har ett pH-värde av -0,7 till 1,0. Även andra syror som inte är flyktiga och som inte oxideras är användbara.

Koncentrationen av socker, metallsalt och syra i lösningen är inbördes relaterade och varierar inom de angivna grän- serna.

Metallen i den sura metallsaltlösningen bör vara så- dan att den bildar ett redoxpar med gynnsamma egenskaper för förfarandet enligt föreliggande uppfinning. Kravet pà det metallsaltsystem som används vid minuspolen i bränsle- cellen är att normalpotentialen för det aktuella redox- paret är större än -0,1 V och mindre än 0,7 V. Den metall som befunnits vara mest lämplig enligt föreliggande upp- finning är vanadin, men även molybden och vissa järn- komplex kan användas. Det föredragna använda metallsaltet är vanadin(IV)sulfat, VOS04, eftersom det är lättillgäng- ligt och har visat sig vara lämpligt för ändamålet. Även V205 kan användas, men inte lika framgångsrikt. 501 120 9 I närvaro av den första katalysatorn 2 reagerar det upplösta sockret med den sura lösningen innehållande vana- dinsulfat där vanadin har oxidationstalet +IV, varvid vanadinet reduceras sà att det får oxidationstalet +III.

Vanadinet kan dessutom i viss man reduceras till oxida- tionstillstàndet +II, men +III-formen är övervägande. Den totalreaktion som äger rum i den första reaktorn l är föl- jande: 2+ + 48 vo 3* + 48 H* -> 12 co + 35 H o + 48 V 2 C12“22°11 2 Den vid reaktionen bildade koldioxiden leds ut genom utloppsledningen 4 till det fria. Efter reaktionen i den första reaktorn 1 leds den reducerade metallsaltlösningen till den första behållaren 6, fràn vilken den pumpas med hjälp av pumpen 7 genom ledningen 8 till den elektro- kemiska cellen 14. Den reducerade metallsaltlösningen leds närmare bestämt in i det första cellutrymmet 10 vid den elektrokemiska cellens 14 minuspol. Den elektrokemiska cellen 14 omges av ett cellhus av polypropen. Den reduce- rade metallsaltlösningen när i det första cellutrymmet lO anoden 9, som företrädesvis är en porös hàrdfilt av gra- fit. I anslutning till anoden 9 finns i respektive ände en elektrisk kontakt. Detsamma gäller katoden 11. Under in- verkan av elektroden oxideras metallen i metallsaltlös- ningen till ett högre oxidationstal, dvs vanadin fàr oxi- dationstalet +IV igen. Den oxiderade metallsaltlösningen leds därefter ut fràn det första cellutrymmet 10 och recirkuleras genom ledningen 15 tillbaka till den första reaktorn 1, varefter det ovan beskrivna förfarandet i denna halva av bränslecellen upprepas.

I bränslecellens andra halva, dvs pá den halva där den elektrokemiska cellens 14 pluspol finns, matas oxida- tionsmedel, såsom luft eller rent syre, in i den andra reaktorn 17 via ledningen 24. Där reagerar syre under inverkan av den andra katalysatorn 18 med elektrolytlös- ningen, som är en andra sur metallsaltlösning och som kan 501 120 skilja sig från eller vara samma som den sura metallsalt- lösning som lämnar det första cellutrymmet 10 i den elektrokemiska cellen 14 i det andra, ovan beskrivna cirkulationssystemet. Företrädesvis har de sura metall- saltlösningarna identiska egenskaper i båda cellhalvorna.

Liksom i det andra cirkulationssystemet är syran företrä- desvis svavelsyra eller fosforsyra, helst svavelsyra, och kan variera inom samma pH-gränser. För metallen i metall- saltlösningen i denna halva av bränslecellen, dvs plus- polhalvan, gäller samma förutsättningar som i den andra ovan beskrivna halvan. Den andra katalysatorn 18 är ett fast ämne som är praktiskt taget olösligt i syra och som katalyserar oxidationen av metallsaltet till ett högre oxidationstillstànd under inverkan av luftens syre. Före- trädesvis oxideras vanadin frán oxidationstalet +IV till oxidationstalet +V, men även andra lämpliga metallsalter kan här oxideras från ett lägre till ett högre oxidations- tal, tex molybden och järn. I stället för luft kan alter- nativt ren syrgas sprutas in. Kravet pà metallsaltsystemet som används vid pluspolen är att normalpotentialen för det i detta fall aktuella redoxparet är mindre än 1,3 V och större än 0,7 V. Normalpotentialen för vanadin pà plus- polhalvan är 1,0 V och på minuspolhalvan 0,34 V i bränsle- cellen. Den andra katalysatorn 18 kan vara en katalysator av konventionell typ som används vid tekniken för àstad- kommande av elektrodreaktionen vid pluspolen i en konven- men den kan även vara ett annat kemiskt system, t ex HNO3/NO (se J T Kummer och D-G Oei, J. Appl. Electrochem. 15 (1985) 619).

I den andra reaktorn 17 sker vid användning av vana- tionell bränslecell, din som metall reaktionen: z*+zno->4vo*+4n* ° 2 z 2 + 4VO Vanadin oxideras sålunda till ett högre oxidationstal (+V), varefter den vid reaktionen i den andra reaktorn 17 oxiderade sura metallsaltlösningen lämnar densamma genom 501 120 ll ledningen 20 till den andra behållaren 21, med hjälp av pumpen 22 pumpas genom ledningen 23 till det från vilken den andra cellutrymmet 12 i den elektrokemiska cellen 14.

Under inverkan av katoden ll reduceras metallen i den sura metallsaltlösningen till ett lägre oxidationstal (+IV), varefter lösningen recirkuleras genom ledningen 16 till- baka till den andra reaktorn 17 för upprepning av det vid bränslecellens pluspol ovan beskrivna förfarandet. Från den andra reaktorn 17 leds, om luft används som oxida- tionsmedel, bildad kvävgas ut i det fria genom ledningen 19.

Enligt föreliggande uppfinning är såsom nämnts ovan metallen i den sura metallsaltlösningen i bränslecellens båda cirkulationssystem företrädesvis samma ämne, varvid särskilt vanadin är föredraget. De aktuella redoxparen är då V(V)/V(IV) resp V(IV)/V(III). cellen som representerar minuspolen föreligger sålunda I den halva hos bränsle- metallsaltet huvudsakligen i ett lägre oxidationsstadium, och i den cellhalva som representerar pluspolen i bränsle- cellen föreligger metallsaltet huvudsakligen med ett högre oxidationstal. Spänningen mellan de två elektroderna, dvs anoden 9 och katoden ll, i den elektrokemiska cellen 14 är beroende av hur väl denna balans mellan lågt och högt oxidationstal kan upprätthållas. Strömmen som tas ut ur bränslecellen enligt föreliggande uppfinning är beroende av koncentrationen av respektive låg- och högoxiderade metalljoner i de cirkulerade metallsaltlösningarna. De båda metallsalterna bör vara sådana att ingen reaktion av oönskad typ får förekomma genom eventuell diffusion eller genomflöde av metallsalt från den ena till den andra cell- halvan, dvs mellan cellutrymmena 10 och 12. Membranet 13, som åtskiljer de båda cirkulationssystemen, är så beskaf- fat att endast protontransport möjliggörs. De ovannämnda oönskade reaktionerna kan vara sådana som resulterar i utfällning av minst ett av de aktiva salterna, beläggning på membranet så att dess porer förändras eller påverkan av 501 120 12 potentialen eller potentialinställningshastigheten vid respektive elektrod.

Elektroderna, dvs anoden 9 och katoden ll, kan vara av metall eller annat elektriskt ledande material och vara så utformade att en hög omsättning av det reducerade res- pektive oxiderade metallsaltet sker vid ytan. En högsta möjliga utbytesström per geometrisk yta av elektroden ifråga eftersträvas sålunda. Enligt föreliggande uppfin- ning används en porös elektrodyta. Dessutom kan tillsatser till elektrodmaterialet användas för ökning av utbytes- strömmen. Dessa tillsatser kan antingen vara ädelmetaller eller s k redoxsystem, vars normalpotential ligger nära den för metallsalternas redoxsystem. Det använda membranet 13 är t ex polyeten eller polypropen, vars porer är fyllda med lämpligt material för möjliggörande av protontrans- port, under samtidigt förhindrande av fritt flöde av lös- ningarna mellan respektive cellutrymme. Exempel på fyll- material är kiselgel eller något annat oorganiskt, amfo- tert material som är olösligt i syra.

Vid utnyttjande av bränslecellen enligt föreliggande uppfinning används genomgående i bränslecellen en tempera- tur av företrädesvis högst 150°C, allra helst ca 90-lO5°C.

Det är sålunda den unika kombinationen av kolhydrat som bränsle, vanadin i sur lösning och platina som den första katalysatorn 2 i en bränslecell som möjliggör pro- duktionen av elektrisk energi med hög verkningsgrad enligt föreliggande uppfinning.

Utföringsexempel Uppfinningen kan användas för produktion av elektrisk energi i större eller mindre skala. I exemplet nedan avses ett mindre "kraftverk" som skall ge en elektrisk effekt av kw. Ett sådant kraftverk utgörs av ett flertal delar, dvs dels batteriet av enskilda celler som ger den elekt- riska energin, dels de reaktorer där de kemiska reaktio- nerna äger rum. Dessutom ingår kringutrustning, såsom pum- par och regleringsanordningar. 501 120 13 Vid en föredragen utföringsform sätts vanligt rör- socker (sackaros) till den första reaktorn 1. Den sura metallsaltlösningen är vanadin(IV)sulfat upplöst i fosfor- syra. Fosforsyrakoncentrationen är 5 M (5 mol/liter = 490 g fosforsyra/liter), och sockerkoncentrationen är 0,003 M (l,03 g socker/liter). Med användning av platina med en specifik yta av 100 m2/g som den första katalysa- torn 2 erhålls en tillräckligt hög kemisk reaktionshastig- het för åstadkommande av den önskade elektriska effekten vid en vanadinsulfatkoncentration av 0,3 M (49 g VOSO4/liter).

Den erhållna kemiska reaktionshastigheten vid en tem- peratur för den första reaktorn 1 av l00°C blir 3 mol vanadin/h. Detta innebär att 489 g (3x163 g) VOSO4 har reducerats av sockret under 1 h. Med hjälp av den för fackmannen på området kända Faradays lag kan denna kemiska reaktionshastighet räknas om till strömstyrka, dvs omsatt elektricitetsmängd per tidsenhet. I detta exempel blir strömstyrkan 78 A/liter reaktionslösning vid användning av 1,25 g platinakatalysator. För uppnående av en elektrisk effekt av 10 kw kan en bränslecell enligt bifogade ritning åstadkommas så att den ger en cellspänning av 0,7 V när cellen lämnar så mycket ström att belastningen per ytenhet hos elektroderna är 15 mA/cmz. Vid denna spänning måste en strömmängd av 14 285 A (10 000 W/0,7 V) produceras. Voly- men av den första reaktorn 1 där sockret reagerar måste sålunda vara 183 liter (14 285/78) och innehålla en kata- lysatormängd av 229 g platina (l83x1,25).

Den andra reaktorn 17 för oxidation av vanadin(IV) till vanadin(V) har ungefär samma storlek som den första reaktorn 1. I den andra reaktorn 17 används också en fast eller löslig katalysator 18 med en redoxpotential i inter- vallet 0,8-1,2, t ex ett ftalocyaninpreparat av en lämplig metall, företrädesvis kobolt, eller kvävedioxid/salpeter- syra. 501 120 14 Den elektrokemiska cellen enligt uppfinningen har företrädesvis en cellspänning av ca 0,7 V. För uppnående av en användbar elektrisk spänning måste ett stort antal enstaka celler vara seriekopplade med varandra. En lämplig spänning, som används t ex vid försök med elektriskt drivna fordon, är 90 V. I detta exempel används denna spänning, och antalet seriekopplade celler är då 130 st.

I detta exempel har 4 enheter med 130 seriekopplade celler parallellkopplats. Ytan av elektroderna i varje sådan enhet är 18,5 dmz (t ex 4x4,6 dm), vilket ger en total elektrodyta för hela batteriet av 74 dmz. Med den ovan angivna strömtätheten av 15 mA/cmz erhålls en strömstyrka av 111 A (15x74x100 mA). Produkten av cellspänning och strömstyrka blir dà 10 kW (90 V x 111 A).

Vid en föredragen utföringsform är den elektrokemiska cellen 14 omgiven av ett 3 mm tjockt cellhus. Mellanrummet mellan cellhuset och katoden 11 eller anoden 9 är 0,5 mm.

Elektroderna har båda en tjocklek av 2 mm, och vätskeskik- tet mellan elektrod och membran är 0,5 mm tjockt. Membra- net är 1 mm tjockt och elektrodytan är 18,5 dmz (4x4,6 dm). Samma dimensioner gäller för båda halvorna i den elektrokemiska cellen 14. Detta innebär en totaltjocklek 130 celler i serie ger då en minsta längd av 17 dm (l30xO,l3 dm). volymen för en enhet blir då 313 liter (17 dmx19 dmz), och totalvoly~ men blir 1250 liter (4x313 liter). Detta ger en effekt- täthet av 10 kw/1250 liter, dvs 8 W/liter. Den teoretiska för den elektrokemiska cellen av 13 mm. cellspänningen för en sockerbränslecell är 1,25 V. Den elektriska verkningsgraden blir sålunda 56% (0,7/1,25).

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 501 120 15 PATENTKRAV

1. Förfarande för produktion av elektrisk energi i en biobränsledriven bränslecell, vid vilket förfarande bräns- le sätts till en första reaktor (1) i bränslecellens minushalva, där det under inverkan av en första katalysa- tor zâlxbringas att reagera med en första sur metallsalt- lösning för fullständig oxidation av bränslet till koldi- oxid och reduktion av metallen: bildad C02 töms ut frán den första reaktorn (l); den första sura saltlösningen av reducerad metall leds till en anod (9) i en elektrokemisk cell (14) för oxidation av metallen; den första sura metallsaltlösningen därefter recirku- leras till reaktorn (l); ett oxidationsmedel sätts till en andra reaktor (17) i bränslecellens pluspolhalva, där oxidationsmedlet under inverkan av en andra katalysator (18) bringas att reagera med en andra sur metallsaltlösning för oxidation av metal- len däri; bildad restprodukt leds ut frán reaktorn (17): den andra sura metallsaltlösningen därefter leds till en katod (ll) i den elektrokemiska cellen (14) för reduk- tion av metallen; den andra sura metallsaltlösningen därefter recirku- leras till den andra reaktorn (17), varvid anoden (9) och katoden (ll) i den elektrokemiska cellen (14) endast är åtskilda av ett vätejongenomträngligt membran (13), genom vilket vätejoner från katoden (ll) transporteras till ano- den (9) för produktion av elektrisk energi, k ä n n e - t e c k n a t av att metallen i den första sura metall- saltlösningen bildar ett redoxpar med en normalpotential mellan -0,1 och 0,7 V och att metallen i den andra sura metallsaltlösningen bildar ett redoxpar med en normal- potential mellan 0,7 och 1,3 V, varvid båda metallerna 501 10 15 20 25 30 35 120 16 företrädesvis är vanadin som bildar redoxparen vanadin- (IV)/(III) respektive vanadin(V)/(IV); att kolhydrat sätts som bränsle till den första reak- torn (1), _ att reaktionen i den första reaktorn (1) utförs i och närvaro av platina eller rutenium som den första kataly- satorn (2).

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kolhydrat i form av sackaros, glukos, maltos, xylos och/eller arabinos, eller cellulosa, stärkelse eller amy- los eller en hydrolysprodukt av dessa kolhydrater, eller melass eller en hydrolysprodukt därav, sätts som bränsle till den första reaktorn (l) i en halt av upp till ca 0,1 M, företrädesvis ca 0,003 M.

3. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att syran i den första och andra sura metallsaltlös- ningen är svavelsyra eller fosforsyra i en koncentration av ca 0,05 till ca 5 M.

4. Förfarande enligt kravet l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den andra katalysatorn (18) är löslig eller olöslig och har en redoxpotential i intervallet 0,8-1,2.

5. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det utförs vid en genomgående temperatur i bränsle- cellen av högst l50°C, företrädesvis vid 90-105°C.

6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vanadin i form av vanadin(IV)sulfat bringas att reagera i den första reaktorn (1) och/eller i den andra reaktorn (17).

7. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att ett salt av molybden, volfram eller järn i sur lösning bringas att reagera i den första reaktorn (1) och/eller i den andra reaktorn (17).

8. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vanadinet i bränslecellens minuspolhalva även redu- ceras till oxidationstillstàndet +II. 10 15 20 25 30 35 501 120 17

9. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den andra katalysatorn (18) utgörs av kväveoxid/- salpetersyra.