Топливный элемент
Предполагаемая полезная модель относится к области энергетики, в частности к устройствам для получения электроэнергии и предназначена для применения в энергоснабжении объектов, находящихся во взрыво- и огнеопасной среде, на автотранспорте, на морском транспорте, а также в средствах мобильной связи и автоматики. Технический эффект заключается в исключении взрыво- огнеопасности, уменьшении материалоемкости. Топливный элемент содержит корпус 1, два электрода 2 с токовыводами 3, мембрану 4, входящие и выходящие патрубки соответственно для окислителя 5 и восстановителя 6, через патрубки топливо и окислитель поступают соответственно в прианодную 7 и прикатодную 8 камеру. Электроды 2 выполнены с ребрами, а мембрана 4 выполнена гофрированной, ребра электродов помещаются в углубления мембраны Электроды и мембрана образуют лабиринт, в котором протекает окислитель и восстановитель от входящих патрубков к выходящим. Электроды выполнены из металла, способного находится в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром. В прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды 9, выполненные из магнитного материала, а на корпус топливного элемента помещена катушка индуктивности 10. Топливный элемент оборудован насосами 11 для циркуляции топлива и окислителя.
Предполагаемая полезная модель относится к области энергетики, в частности к устройствам для получения электроэнергии и предназначена для применения в энергоснабжении объектов, находящихся во взрыво- и огнеопасной среде, на автотранспорте, на морском транспорте, а также в средствах мобильной связи и автоматики.
Известен топливный элемент /Патент РФ 
2265643, C10L 1/12, C10L 1/18, 2005 г/, в котором окислитель представляет собой кислород воздуха и находится в непосредственном контакте с катодом. Катод выполнен с использованием методов трафаретной печати из 20% платины на активированном угле на водостойкой бумаге. Катод находится в контакте с электролитом, содержащимся в электролитной камере, и действует как барьер, препятствующий утечкам электролита. Электролит представляет собой 6 М водный раствор КОН. Электролитная камера отделена от топливной камеры анодом. Анод выполнен с использованием методов трафаретной печати из 20% платины и 10% рутения на активированном угле на гидрофильной копировальной бумаге. Топливная композиция, содержащаяся в топливной камере, вводится как анолит, состоящий из комбинации основного топлива, которое является поверхностно-активным соединением, таким как метанол, вспомогательного топлива, которое является водородсодержащим неорганическим соединением с высоким восстановительным потенциалом, таким как NaBH4, и электролита, такого как 6 М раствор КОН. Электрическая цепь, состоящая из нагрузки и выключателя, электрически связывает анод с катодом.
Известен топливный элемент /Патент РФ 2079934, Н01М 8/10, Н01М 14/00, 1997 г./, в котором электродную пару образуют из сплошного металлического электрода и проволочной сетки, между которыми помещают полупроводниковый слой, полученный путем предварительного окисления поверхности сплошного электрода. Подачу реагентов, и отвод продуктов реакции, производят путем продувки смеси вдоль поверхности электродов. При этом в ходе реакции, протекающей у границы полупроводникового слоя сетки, возникает разность потенциалов, что вызывает ток в электрической нагрузке. В качестве газонепроницаемого электрода используется поверхность меди, которую предварительно окисляют до закиси меди (Сu2O применялась в купоросных выпрямителях). Газопроницаемый (отрицательный) изготавливают из проволоки диаметром 0,2 мм. В качестве рабочей смеси используют состав 80% O2 и 20% СО при атмосферном давлении.
Ближайшим аналогом является топливный элемент /Патент РФ 2308125, H01M 14/00, H01 M8/10, 2007 г./, в котором проточная электрохимическая ячейка для проведения реакции состоит из: катодной и анодной камеры, пористой мембраны между ними, помещенную в камеру двух дисковых графитовых электродов катода с токоподводом и анода с токоподводом, в катодную и анодную камеры помещают вспомогательные электроды, соединенные между собой диэлектрической осью из ударопрочного полистирола. Мембрана состоит из жидкого электролита, отвержденного гелеобразователем. Камеру мембраны предварительно заполняют электролитом с гелеобразователем, а затем электролит превращают в гель. Анод оснащен лопастями. В ячейку помещают электролит. В качестве электролита возможно использование сточной воды. В катодную камеру через барботер и патрубок подают воздух. Электролит из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит находящиеся в ионообменном фильтре. Выработка электроэнергии производится из сточных вод, подаваемых в ячейку через патрубок. Или же через этот патрубок подают попутный газ. Продукты окисления выводятся через патрубок.
Недостатком известных топливных элементов является то, что существующие топливные элементы в качестве топлива используют водород, метанол, сточные воды и другие легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные вещества. Для безопасной работы таких устройств, требуется их тщательная герметизация, сложные и дорогие устройства подачи топлива, окислителя. Электроды в топливных элементах изготавливаются из драгметаллов: платины, палладия. Они дороги и сложны в изготовлении. Существующие топливные элементы плохо адаптируются для работы во взрывоопасной среде, так как содержат взрывоопасную среду и сложные электрические и механические устройства.
Задачей предполагаемого изобретения является создание топливного элемента, позволяющего получить электроэнергию из негорючего энергоносителя с применением дешевых электродов, способного работать во взрывоопасной среде.
Поставленная задача достигается тем, что в топливном элементе, содержащем корпус, катодную и анодную камеру, пористую мембрану, электроды с токовыводами, электролит, топливо и окислитель, корпус содержит патрубки для подачи окислителя и восстановителя, мембрана выполнена гофрированной, а электроды выполнены с ребрами, причем ребра электродов помещены в углубления мембраны, образуя лабиринт для протекания окислителя и восстановителя, в состав анолита, выполняющего функцию топлива, входят водные растворы формиата и/или оксалата щелочного и/или щелочноземельного металла и/или соли аммония.
Электроды выполнены из металла, способного находится в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром.
Дополнительно в прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды.
Засыпные электроды выполнены из магнитного материала, а корпус топливного элемента оснащен электромагнитом.
В состав католита, входит перекись водорода, выполняющего функцию окислителя.
Он оснащен насосами для циркуляции топлива, окислителя и сорбционными фильтрами, насыщенными топливом (окислителем), топливные элементы собраны в блок, состоящий по крайней мере из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами и входами в последующих топливных элементах.
Общий вид топливного элемента показан на Фиг.1. На Фиг.2 показан блок, состоящий из двух топливных элементов.
Топливный элемент содержит корпус 1, два электрода 2 с токовыводами 3, мембрану 4, входящие и выходящие патрубки соответственно для окислителя 5 и восстановителя 6, через патрубки топливо и окислитель поступают соответственно в прианодную 7 и прикатодную 8 камеру. Электроды 2 выполнены с ребрами, а мембрана 4 выполнена гофрированной, ребра электродов помещаются в углубления мембраны Электроды и мембрана образуют лабиринт, в котором протекает окислитель и восстановитель от входящих патрубков к выходящим. Электроды выполнены из металла, способного находится в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром. В прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды 9, выполненные из магнитного материала, а на корпус топливного элемента помещена катушка индуктивности 10. Топливный элемент оборудован насосами 11 для циркуляции топлива и окислителя.
В случае, когда топливные элементы собраны в блок выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами и сорбционными фильтрами 12, насыщенными топливом (окислителем), стабилизирующем концентрацию топлива(окислителя), с входами в последующих топливных элементах при подаче их в прикатодную и прианодные камеры.
При этом топливо, очищенное от продуктов окисления, направляется в следующий топливный элемент.
Топливный элемент работает следующим образом:
Раствор или суспензию энергоносителя (формиаты, оксалаты) с концентрацией от 1 до 90% насосом или самотеком подают через входящий патрубок 5 в нижнюю часть прикатодной камеры 8 топливного элемента.
Раствор окислителя (перекиси водорода) подают самотеком или насосом в нижнюю часть при анодной камеры 7 топливного элемента. Воздух подают компрессором, воздуходувкой, вентилятором или естественной конвекцией. Раствор энергоносителя и окислителя проходит через лабиринт, образованный ребрами на электродах 2 и мембраною 4.
На катоде происходит процесс окисления анионов топлива:
По следующему механизму:
На аноде происходит процесс восстановления:
Генерируется разница потенциалов от 0,3 до 1,4 В. Плотность тока от 100 до 1000 мА/дм2. Через мембрану 4 проходят гидратированные протоны или гидроксил-анионы. Аналогично происходят процессы с другими энергоносителями и металлическими электродами. Топливные элементы собраны в блок, состоящий по крайней мере из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами 12 и входами в последующих топливных элементах., причем частично сработавшиеся топливо и окислитель после очистки на сорбционных фильтрах 12 поступают во второй топливный элемент. Продукт окисления - бикарбонат и вода выходят из выходящего патрубка. Непрореагировавшая часть топлива поступает в сорбционный фильтр 12, насыщенный ионами формиата (оксалата). Бикарбонат вытесняет формиат, сорбируясь на фильтре. На выходе из фильтра та же концентрация формиата, что и в растворе. Раствор топлива поступает в следующий топливный элемент. Поскольку концентрация топлива в растворе та же, что и на входе, топливный элемент генерирует ту же мощность. При исчерпании сорбционного фильтра, потенциал сразу падает до нуля. При этом первый топливный элемент еще работает. Данная комбинация потенциалов является сигналом к регенерации фильтра. Регенерация фильтра осуществляется прогревом до температуры 60-80°С. При этом выделяется чистый углекислый газ. Затем прокачкой раствором энергоносителя восстанавливается сорбционный потенциал фильтра.
Чистый углекислый газ - ценное сырье, применяемой в сварочном производстве, пищевой промышленности, агробизнесе и имеет стоимость, сопоставимую со стоимостью топлива. Поэтому выработка электроэнергии осуществляется наиболее дешевым способом.
Предлагаемое устройство позволяет исключить взрыво- огнеопасные детали топливного элемента, произвести дешевую электроэнергию в устройстве без применения дорогостоящих электродов из драгметаллов.
1. Топливный элемент, содержащий корпус, катодную и анодную камеру, пористую мембрану, электроды с токовыводами, электролит, топливо и окислитель, отличающийся тем, что корпус содержит патрубки для подачи окислителя и восстановителя, мембрана выполнена гофрированной, а электроды выполнены с ребрами, причем ребра электродов помещены в углубления мембраны, образуя лабиринт для протекания окислителя и восстановителя, в состав анолита, выполняющего функцию топлива, входят водные растворы формиата и/или оксалата щелочного и/или щелочноземельного металла и/или соли аммония.
2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из металла, способного находиться в различном валентном состоянии, из ряда: медь, железо, никель, серебро, железо, хром.
3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в прикатодную и прианодную камеру помещены засыпные электроды.
4. Топливный элемент по пп.1 и 3, отличающийся тем, что засыпные электроды выполнены из магнитного материала, а корпус топливного элемента оснащен электромагнитом.
5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что в состав католита входит перекись водорода, выполняющего функцию окислителя.
6. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что он оснащен насосами для циркуляции топлива, окислителя и сорбционными фильтрами, насыщенными топливом (окислителем), топливные элементы собраны в блок, состоящий, по крайней мере, из двух топливных элементов, выходы из первого топливного элемента соединены трубопроводами с сорбционными фильтрами и входами в последующих топливных элементах.
