РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК H01M8/18 H01M8/10 

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования на электродах химической энергии углеводородного топлива непосредственно в электрическую с последующим восстановлением (регенерацией) фракций углеводородного топлива. Изобретение может быть использовано в энергетической и химической промышленности, на транспорте, в устройствах, использующих жидкое или газообразное углеводородное топливо.

Известен магнитогидродинамический генератор электрической энергии (Балян С. В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. 1978), в котором поток ионизированного газа проходит через сильное магнитное поле и индуктируется в электрический ток.

Известно устройство (авт.св. N 121159) топливный элемент с твердым электролитом в виде блока со сквозными каналами, заполненными электродной массой и металлическими электродами. В каналы подается реагент: фракции углеводородного топлива и окислитель кислород. В результате реакции электрохимического окисления во внешней цепи индуктируется постоянный ток.

Известен топливный элемент (журнал США "Попьюлар Сайнс", 1990), в котором в каналах электродах движутся встречные потоки реагентов (топлива и воздуха). Каналы разделены циркониевым твердым электролитом, а их ряды контактным слоем. Реагенты вступают в окислительно-восстановительную реакцию, в результате которой во внешней цепи генерируется электроток.

Известен биполярный топливный элемент (патент США А 4855193), в котором содержится каталический анод и катод, контактирующий с противолежащей поверхностью ионопроводящей мембраны; влагостойкая угольная бумага и биполярный сепаратор, образующий поле течения окислителя.

Известен блок топливных элементов с твердым ионопроводящим электролитом, содержащим анодные и катодные камеры с электродами желообразной формы (патент США N 4476196, 1984; N 4997727, 1991), смещенными на 90^o между собой, при этом блок размещен в корпусе с патрубками и коллекторными камерами для подвода и отвода реагентов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническому решению является блок топливных элементов (патент США N 4839247, 1989), содержащий пакет топливных элементов с твердым ионопроводящим электролитом и электродный блок элементов для регенерации продуктов реакции, выходящих из блока топливных элементов.

Недостатком упомянутого устройства является быстрое окисление и перегорание электродов вследствие перетока реагентов (топлива, и воздуха) из камер и их возгорания, а также низкий КПД устройства.

Целью изобретения является повышение КПД и надежности блока топливных элементов.

Цель достигается тем, что электродный блок содержит чередующиеся модули топливного элемента и электродиализатора для регенерации газов, разделенных прокладками. Анодные и катодные камеры топливного и регенеративного модуля образованы вставленными друг в друга и скрепленными желобообразными каталитическим, перфорированным электродом и ионопроводящей мембраной на основе твердого электролита.

При этом катодная камера электродиализного модуля снабжена каталитическим катодом и катионообменной мембраной, а анодная камера модуля содержит анионообменную мембрану и каталитический анод.

Предварительно изготовленные анодные и катодные камеры каждого модуля, собранные на клее в пакет, образуют герметичную, проточную, ячеистую структуру, установленную в корпусе с патрубками и коллекторными камерами для подачи и отвода реагентов.

В катодных камерах электродиализного модуля в процессе электрохимического синтеза восстанавливается газ с повышенной концентрацией углерода и водорода, сырьем которого является продукт реакции (дымовой газ), поступающий непосредственно из камер топливного элемента, а также, дополнительно, при диффузии катионов углеводородных фракций из анодных камер регенеративного модуля. С увеличением количества восстановленного углеводородного газа снизится расход топлива в регенеративном электродном блоке, а КПД повысится.

На фиг. 1 изображен общий вид и продольный разрез электродного блока; на фиг. 2 поперечный разрез его левой части; на фиг. 3 узел I; на фиг. 4 - пакет модуля топливного генератора и эл.диализатора; на фиг. 5 схема пакета диализатора.

Электродный блок содержит несколько чередующихся модулей топливного генератора 1 и электродиализатора 2. Модуль топливного генератора пакетирован анодными 3 и катодными 4 камерами, смещенными на 90^o относительно друг друга. Каждая камера снабжена анионообменной мембраной 5, анодом 6 или катодом 7 из разных материалов, покрытых пленкой катализатора. Анионообменная мембрана это твердый электролит на основе, например, двуокиси циркония и углекислого кальция, желеобразной формы, закреплена на клее с анодом или катодом, образуя при этом прямоугольный канал камеру. Поверхности электродов и мембран в модуле находятся в электрическом контакте между собой. Однородные электроды в топливном генераторе соединены последовательно. Отношение сечения газотопливных (анодных) каналов к сечению воздушных (катодных) каналов равно, например, 1:3 (1:4).

Модуль электродиализатора пакетирован анодными 8 и катодными 9 камерами, смещенными на 90^o. Анодная камера снабжена анионообменной мембраной 10, например, на основе двуокиси циркония и углекислого кальция и анодом 11. Мембрана и анод желобообразной формы склеены между собой, образуя прямоугольный канал для реагента. Катодная камера снабжена катионообменной мембраной 12, выполненной, например, на основе алюмосиликатов лития, и катодом 13. Анод и катод пакета соединены монополярно. Мембраны в каждом модуле это твердый электролит, обладающий ионной или электронной проводимостью. Анод и катод в каждом модуле перфорирован, выполнен из разных материалов и покрыт слоем (пленкой) катализатора. Анодные и катодные камеры собраны на клее в пакет соответствующего модуля. Мембраны каждого модуля изолированы прокладкой 14 из нейтрального материала. Отношение числа парных камер в электродиализаторе и в топливном генераторе равно, например, 1:3 (1:2). Электродный блок, собранный из чередующихся модулей 1 и 2, устанавливают в корпус 15 из термостойкого материала, например, керамики. Корпус ящичного типа содержит патрубки 16 для ввода и вывода реагентов, вертикальные по углам уплотнения 17 из быстродействующей, термостойкой мастики и горизонтальной перегородки 18, обеспечивающие противоточное движение реагентов в камерах. Распределительные, коллекторные камеры 19 и 20 расположены между стенками корпуса и пакета модулей. Пакет чередующихся модулей 1 и 2, сжатый по периметру шпильками между верхней и нижней крышками 2, герметизируют прокладки 22 из термостойкого материала.

Работает электронный блок следующим образом.

Предварительно нагретые, газообразные фракции углеводородного топлива через коллектор 19 подают в анодные камеры 3 топливного генератора 1. Горячий воздух через коллектор 20 поступает в катодные камеры 4 модуля 1. В катодной камере молекулы кислорода распадаются на атомы, а атомы превращаются в двухзарядные отрицательные ионы кислорода, т.е. происходит ионизация газообразного кислорода, потребляя ток из внешней цепи

Анионы кислорода проходят через твердый электролит мембрану 5 к аноду 6, где на границе электрод электролит происходит электрохимическое окисление топлива:


Газ распадается на положительный ион и электроны, поступающие во внешнюю цепь. В результате суммарной реакции на электродах абсорбированный газ переходит в ионное состояние, являющееся источником ЭДС:
CO + 1/2 O₂ __→ CO₂
Реакция электрохимического окисления на электродах топливного генератора сопровождается повышением температуры в камерах до 1000 1100^oC. Продукты окисления углеводородов газовые фракции состава:
V_г CO₂ + O₂ + H₂ + CH₄ + N₂ + H₂O,
из топливного генератора поступает в следующий модуль (ступень) в электродиализатор 2, в камерах которого происходит процесс восстановления газовой смеси. В электрическом поле постоянного тока между электродами происходит ионный обмен. Анионы и катионы газовых фракций проходят через анионообменные и катионообменные мембраны (твердый электролит) вступают в электрохимическую реакцию восстановления на катоде:
1)

и аноде:
2)
Химическая реакция соединения двух атомов или молекул сопровождается переходом электронов от одной частицы к другой в результате чего ионизированный кислород переходит в молекулярный, потребляя ток из внешней цепи. Реакция протекает с отнятием тепла. Из камер электродиализатора реформированный газ и кислород поступает в анодные и катодные камеры следующего модуля топливного генератора, в котором процесс повторяется. В электродном блоке, в чередующихся модулях топливного генератора и электродиализатора с твердым электролитом абсорбированный, углеводородный газ переходит в ионное состояние, являющееся источником ЭДС с последующим восстановлением регенерацией продуктов сгорания углеводородного топлива. Это открывает возможности эксплуатации топливного генератора по замкнутому циклу стабилизировать температурный режим и повысить надежность устройства.

При этом снизится удельный расход топлива, повысится КПД генератора и существенно сократятся ядовитые выбросы в окружающую среду продуктов сгорания топлива.

Пример. Предлагаемый электродный блок содержит по два чередующихся между собой модуля топливного генератора и электродиализатора. Модуль топливного генератора пакетирован четырьмя анодными и катодными, чередующимися и смещенными на 90^o друг к другу, камерами. Все парные камеры закреплены между собой клеем с целью герметизации каналов. Анодная камера снабжена ионопроводной мембраной (твердым электролитом) желобообразной формы и анодом из листового рифленого титана толщиной 0,6 мм, покрытого пленкой катализатора.

Мембрана и анод, склееные между собой, образуют канал (камеру) для топлива.

В катодной камере однотипной конструкции катод выполнен из листовой нержавеющей стали толщиной 0,6 мм.

В электродиализном модуле конструкция камер аналогичная и отличается тем, что катодная камера снабжена катионопроводной мембраной (сухим электролитом), например, на основе алюмосиликатов лития путем приготовления шихты.

Пакет модуля, собранный на клее, содержит две чередующиеся анодные и катодные камеры смещенные между собой на 90^o. Каждый модуль разделен прокладками из неэлектропроводного, термостойкого материала. Собранный в пакет блок из чередующихся модулей устанавливают в керамическом корпусе ящичного типа, высотой 250 мм и сечением 155 х 155 мм. Корпус содержит патрубки для ввода и вывода реагентов и горизонтальные перегородки, обеспечивающие противоточное движение в камерах реагентов топлива и воздуха. Распределительные коллекторные камеры (для реагентов), расположенные между стенками корпуса и пакета, герметично разделены по высоте корпуса, угловыми уплотнениями из термостойкой, быстротвердеющей мастики. Предварительно просушенный пакет из чередующихся модулей топливного генератора и эл.диализатора сжимают шпильками по периметру корпуса, между верхними и нижними крышками и прокладками. Однородные электроды в каждом модуле топливного генератора соединены последовательно. Электроды диализного модуля соединены монополярно и при помощи вертикальных, токопроводящих шин, расположенных в коллекторе, аноды и катоды каждого модуля подключены во внешнюю цепь. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: регенеративные преобразователи энергии на основе топливных элементов. Сущность изобретения: регенеративный блок топливных элементов содержит несколько чередующихся топливных и электродиализных элементов, включающих анодные и катодные камеры, развернутые между собой на 90^o, ионопроводящие мембраны на основе твердого электролита, контактирующие с каталитическим анодом и катодом из разных металлов, размещенные в корпусе с патрубками и коллекторными камерами для подачи и отвода реагентов. Топливные и электродиализные элементы объединены в несколько чередующихся модулей, которые разделены герметизирующими прокладками, а отношение числа электродных камер в топливном и электродиализном модулях равно 2:1 - 3:1. Электродиализный и топливный модули могут быть пакетированы на клее электродными камерами, образованными противолежащими стенками, вставленными друг в друга и скрепленными по кромке жолобообразными электродом и ионопроводной мембраной на основе твердого электролита. Катодная камера электродиализного модуля содержит каталитический катод и мембрану на основе твердого электролита, например двуокиси циркония и углекислого кальция; анодная камера указанного модуля содержит каталитический анод и мембрану на основе твердого электролита, например, алюмосиликата лития, а катод и анод выполнены перфорированными из разных материалов. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Регенеративный электродный блок топливных элементов, содержащий несколько чередующихся топливных и регенеративных элементов, включающих анодные и катодные камеры, развернутые на 90° между собой, контактирующие ионопроводящие мембраны на основе твердого электролита, с каталитическим анодом и катодом из разных металлов, размещенные в корпусе с патрубками и коллекторными камерами для подачи и отвода реагентов, отличающийся тем, что в качестве регенеративных элементов взяты электродиализные элементы, топливные и электродиализные элементы объединены в несколько чередующихся модулей, которые разделены герметизирующими прокладками, а отношение числа электродных камер в топливном и электродиализном модулях равно от 2:1 до 3:1. 2. Блок топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что электродиализный и топливный модули пакетированы на клее электродными камерами, образованными противолежащими стенками, вставленными друг в друга и скрепленными по кромке желобообразными электродом и ионопроводной мембраной на основе твердого электролита. 3. Блок по п.1 или 2, отличающийся тем, что катодная камера электродиализного модуля содержит каталитический катод и катионообменную мембрану на основе твердого электролита, например двуокиси циркония и углекислого кальция, анодная камера модуля содержит каталитический анод и анионообменную мембрану на основе твердого электролита, например алюмосиликатов лития, а катод и анод выполнены перфорированными из разных материалов.