РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ


RU (11) 2067339 (13) C1

(51) 6 H01M8/18, H01M8/10 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5057888/07 
(22) Дата подачи заявки: 1992.08.06 
(45) Опубликовано: 1996.09.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Патент США № 4476196, кл. H 01 M 8/10, 1984. Патент США № 4997727, кл. H 01 M 8/10, 1991. Патент США № 4839247, кл. H 01 M 8/18, 1989. 
(73) Патентообладатель(и): Дерявко Алексей Филиппович 

(54) РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 

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 90o, 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. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 90o 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 90o 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 90o. 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 1100oC. Продукты окисления углеводородов газовые фракции состава:

Vг 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 90o 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 90o. 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. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



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.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru