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invention
Fédération de Russie Patent RU2206939

Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol

Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol

Nom de l'inventeur: Karic ZR
Le nom du titulaire du brevet: Closed Joint Stock Company "Power Technologies indépendant"
Adresse de correspondance :. 129626, Moscou, Kuchin lane, 12, kv.1, ZR Karichevu
Date de début du brevet: 12.04.2002

L 'invention concerne le domaine des générateurs électrochimiques (ECG) à base de piles à combustible, en particulier à base de pile à combustible à méthanol (MFC), et peut être utilisé dans la fabrication dudit générateur. Selon l'invention, le générateur électrochimique sur la base de la pile à combustible au méthanol comprend un empilement de piles à combustible, dont chacune comprend une anode et une cathode séparées par un électrolyte liquide, et la membrane conductrice d'ions disposée sur la surface de l'anode en regard de la pompe de circulation de l'électrolyte en boucle de cathode, un échangeur de chaleur, un réservoir d'électrolyte, mélange de méthanol et d'eau boucle de circulation avec une capacité de pompage d'un mélange de méthanol-eau et le séparateur gaz-liquide, l'alimentation en air du circuit de ventilation. Que l'électrolyte liquide est prélevé du mélange aqueux de méthanol-eau de boucle alcalin circulation de la solution comprend en outre un dispositif d'évacuation d'eau et le réservoir d'électrolyte est muni d'un capteur de niveau d'électrolyte. Comme membrane conductrice ionique sur les anodes de l'empilement de piles à combustible est utilisée anionoprovodyaschaya membrane. Dispositif d'élimination de l'eau peut être configuré comme un évaporateur thermique, sous la forme de deux évaporateur thermique connecté en série avec un élément chauffant, un évaporateur de diffusion pervaporatsionnoy membrane de séparation du liquide et de la vapeur évaporateur de la chambre ou à la diffusion évaporateur membrane composite poreuse pourvue d'une couche hydrophobe ayant une sélective la perméabilité aux vapeurs de methanol, en séparant le liquide et la vapeur chambre évaporateur. La concentration de la solution alcaline aqueuse dans la pile de cellules à combustible peut être 35 g de 45 poids. %, Et la température de fonctionnement de la batterie peut être 55 e 65 o C. Le circuit d'électrolyte peut être en outre équipé d'un électrolyte calciner. Le résultat technique de l'invention est de fournir des ECG, qui présente une efficacité élevée et un faible coût.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

L ' invention concerne le domaine des générateurs électrochimiques (ECG) à base de piles à combustible, en particulier à base de pile à combustible à méthanol (MFC), et peut être utilisé dans la fabrication dudit générateur.

Connu MTE basé ECG avec conducteur protonique membrane électrolyte polymère contenant un MTE de la batterie, boucle oxydant de recirculation avec un dispositif d'élimination de mélange carburant-eau de la boucle de recirculation d'eau du réservoir, une pompe et un échangeur de chaleur (voir le brevet US. 5.599.638, cl. De H 01 M 8/10 , 1997).

L'inconvénient de cette ECG est associée à l'utilisation de MTE avec membrane électrolyte polymère proton-conducteur, ce qui nécessite le maintien de l'humidité de la membrane dans une fourchette étroite spécifiée, en présence de la charge fortement variable et des conditions d'incubation variables complique grandement le schéma et la conception ECG fonctionnelle. En outre, la présence de carburant de diffusion à travers la membrane électrolytique à la cathode, réduit l'efficacité de l'ECG et de l'ECG et la ressource par l'empoisonnement du catalyseur de la cathode avec du methanol.

Du connu ECG la plus proche de la combinaison des caractéristiques matérielles et obtenu un résultat technique est la cellule à base d'ECG-combustible au méthanol comprenant un empilement de piles à combustible ayant une anode, un électrolyte liquide, et la membrane de diffusion sur la surface d'anode adjacente à l'électrolyte, une boucle de circulation de l'électrolyte avec une pompe, un radiateur, l'électrolyte la capacité et le mélange méthanol-eau de système de circulation régénérateur électrolyte avec une pompe, un mélangeur et mélange méthanol-eau régénérateur, circuit d'air d'un ventilateur et d'un séparateur d'eau (voir. la demande internationale WO 01/39307, Cl. H 01 M 8/00 2001 ).

L'inconvénient de ceci est l'utilisation de l'ECG électrolyte d'acide corrosif ECG conception coûteuse en raison du choix limité de matériaux de structure et l'utilisation de catalyseurs à base de métaux nobles.

Le but de l'invention est de fournir ECG, qui présente une efficacité élevée et un faible coût.

Ledit résultat technique est atteinte par celui d'un générateur électrochimique sur la base de la pile à combustible au méthanol comprenant l'empilement de piles à combustible, dont chacune comprend une anode et une cathode séparées par un électrolyte liquide, et la membrane conductrice d'ions disposée sur la surface de l'anode faisant face à la cathode, une boucle de circulation de l'électrolyte avec une pompe, un échangeur de chaleur et un réservoir d'électrolyte, d'un mélange de méthanol et d'eau circuit de circulation avec une capacité de pompage d'un mélange de méthanol-eau et le séparateur gaz-liquide, le trajet d'écoulement d'air vers le ventilateur selon l'invention comme électrolyte liquide est prélevé du mélange boucle de méthanol dans l'eau alcaline aqueuse circulation de la solution supplémentaire il contient dispositif d'évacuation de l'eau, et un réservoir d'électrolyte est muni de capteurs de niveau. L'utilisation d'un électrolyte alcalin permet l'utilisation d'un mélange méthanol d'eau plus concentrée, ce qui améliore les ECG Spécifications environnementales électriques facilite le choix des matériaux de construction et permet d'utiliser des catalyseurs de métaux de base, ce qui réduit le coût de l'ECG.

Il est souhaitable qu'une membrane conductrice d'ions anodes anionoprovodyaschaya membrane utilisée dans l'empilement de piles à combustible. L' utilisation de cette membrane empêche l' accès du methanol et du CO 2 dans un circuit de base qui élimine l' électrolyte carbonisation, l'empoisonnement du catalyseur de cathode et améliore l'efficacité de l'ECG.

Avantageusement, le dispositif d'élimination de l'eau ont été effectuées sous la forme d'évaporateur thermique avec un élément chauffant équipé de vapeur et des cavités de liquide pour séparer le mélange méthanol-eau dans le méthanol et l'eau, ou sous la forme de deux évaporateur thermique connecté en série avec un dispositif de chauffage, dans ce cas comme une source de chaleur peut être utilisée le méthanol, et l'élément chauffant peut être catalytique. En utilisant un évaporateur thermique avec un dispositif de chauffage catalytique permet de chauffer l'évaporateur et l'eau éliminée du mélange méthanol-eau, le méthanol, sécrété dans l'évaporateur, ce qui simplifie le circuit d'ECG et augmente son efficacité, et l'utilisation de deux évaporateurs thermiques connectées en série avec les éléments chauffants catalytiques permet de les connecter alternativement au contour la circulation du mélange méthanol-eau pour le mélange de remplissage, diminue à mesure que l'élimination de l'eau.

De manière avantageuse, la cavité de l'évaporateur thermique à vapeur est relié à un brûleur catalytique, une chambre de liquide à travers le dispositif de verrouillage est raccordé au circuit d'électrolyte. Ledit dispositif de connexion de dispositif d'évacuation d'eau permet d'établir un équilibre d'images et de l'eau éliminés par le retour de l'eau a été éliminée dans le circuit d'électrolyte sur un signal du capteur de niveau d'électrolyte dans le réservoir d'électrolyte et le recyclage de l'appareil sélectionné éliminant le méthanol de l'eau, ce qui augmente l'efficacité de l'ECG.

Avantageusement, le dispositif d'élimination d'eau a été conçu comme évaporateur pervaporatsionnoy membrane de séparation du liquide et de la vapeur chambre de l'évaporateur, dans lequel la chambre de vaporisation par l'intermédiaire d'un collecteur de réfrigérant à vapeur et d'eau relié à une pompe à vide et récupération de l'eau à travers la vanne d'eau reliée au circuit d'électrolyte. À l'aide pervoporatsionnoy membrane présentant une perméabilité sélective pour l'eau, il permet de simplifier la technologie de l'élimination d'eau à partir du mélange méthanol-eau, et ledit circuit de connexion permet un équilibre de l'eau en raison de la partie de retour de l'eau a été éliminée dans le circuit de l'électrolyte.

Avantageusement, le dispositif d'élimination d'eau est réalisée dans une membrane composite poreuse de diffusion de l'évaporateur muni d'une couche hydrophobe ayant une perméabilité sélective aux vapeurs de methanol, en séparant le liquide et la vapeur évaporateur de la chambre, dans lequel la couche hydrophobe fait face à la chambre de liquide.

Avantageusement, la couche hydrophobe est formée sur la base de siloxanes.

Avantageusement, la chambre de diffusion de vapeur à travers l'évaporateur et le condenseur collecteur du methanol a été relié à une pompe à vide et la cavité de fluide à travers la valve et le réservoir d'eau est relié au circuit d'électrolyte.

Avantageusement, la compilation de méthanol Le méthanol a été relié par un mélange méthanol-eau de circuit de vanne.

Avantageusement, la concentration de la solution alcaline aqueuse dans la pile à combustible est de 35 à 45 en poids.%, Et la température de fonctionnement de la batterie de 55 à 65 ° C. Avec ces paramètres, le débit d' air le long de la surface de la pile à combustible à la cathode est pratiquement pas d' éliminer l' eau, étant donné qu'il coïncide avec la pression de vapeur d'eau de l'eau au-dessus de l'électrolyte. Cela permettra de réduire l'efficacité de l'élimination de l'eau dans le mélange des dispositifs de circuit méthanol-circulation de l'eau, et donc d'augmenter les caractéristiques spécifiques de l'ECG.

Avantageusement, le circuit en outre l'électrolyte a été pourvu d'un précalcinateur d'électrolyte. La présence du four de calcination va retirer des piles à combustible à carbonates d'électrolyte, ce qui affecte négativement leurs propriétés électriques.

l'analyse de l'art antérieur réalisée a montré que la combinaison revendiquée des caractéristiques essentielles énoncées dans les revendications, on ne sait pas. Ceci permet de conclure qu'il est approprié pour le critère de la «nouveauté».

Pour vérifier la conformité de l'invention revendiquée, le critère de «activité inventive» a mené une recherche supplémentaire de l'art antérieur afin de détecter des signes qui coïncident avec les traits distinctifs du prototype de la solution technique revendiquée. On a constaté que la solution technique revendiquée ne doit pas explicitement de l'art antérieur. Par conséquent, l'invention revendiquée répond au critère de «activité inventive».

Brève description du dessin et de la description des travaux de l'ECG revendiquée.

Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol

La figure 1 est un diagramme schématique de l'ECG dudit fluide selon un évaporateur thermique.

Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol

La figure 2 est un diagramme schématique de l'ECG selon ledit fluide avec un évaporateur à membrane pervaporatsionnoy.

Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol

La figure 3 est un diagramme schématique de l'ECG selon ledit fluide de l'évaporateur à la diffusion de la membrane composite.

Notification de ECH pour tous les schémas de modes de réalisation, comprend un empilement de piles à combustible 1 à l'anode 2, anionoprovodyaschey membrane 3, un électrolyte liquide 4 et la cathode 5, le circuit d'électrolyte de la pompe d'électrolyte 6, un réservoir d'électrolyte 7 avec un capteur de niveau 8, l'échangeur de chaleur 9 calcinateur 10 avec vanne 11 ainsi que la capacité de stockage de l' eau 12 avec une vanne 13, un circuit d'air avec un filtre mécanique 14, un ventilateur 15 et l'adsorption du CO 2 le circuit 16 de combustible avec la circulation de la pompe de mélange méthanol-eau 17, une capacité de mélange méthanol-eau 18 avec un capteur de niveau 19, le séparateur gaz-liquide 20 un réservoir de methanol 21, la pompe d'alimentation 22 et le dispositif 23 pour éliminer la vapeur d'eau 24 et de la cavité orale liquide 25.

Divers modes de réalisation du circuit d'ECG diffèrent effectuant dispositif d'évacuation de l'eau 23. Dans un premier mode de réalisation du circuit d'ECG dispositif d'évacuation d'eau (1 fig.) Est réalisé sous forme de deux évaporateurs connectés en série 23 avec une torche thermique 26, qui entrée 27 est reliée à un évaporateur de vapeur 24 cavités et la sortie 28 - vapeur d'eau dans le condenseur 29. le liquide de la chambre évaporateur 30 sont reliés par des vannes avec le réservoir de stockage d'eau 12. dans un deuxième mode de réalisation du circuit ECG (2) un dispositif de déshydratation est une chaudière à vapeur 23 avec une cavité 24 et la cavité 25, le fluide séparé pervaporatsionnoy membrane 31. chambre de vapeur 24 à travers le condenseur 32 et de l'eau le collecteur 33 est relié à une pompe à vide 34. la collecte de l'eau pour l'eau est raccordée au réservoir de stockage d'eau 12 qui, à son tour, par l'intermédiaire d'un dispositif de fermeture 13 relié au circuit d'électrolyte. Pour le circuit de l'ECG du troisième mode de réalisation (figure 3) un dispositif de déshydratation se présente sous la forme de vapeur diffusive avec l'évaporateur 23 et le fluide de la cavité 24 cavité 25, 35 séparés par une membrane composite avec une couche hydrophobe 36, débouche dans la chambre de fluide à la vapeur chambre 25. 24 est reliée par un condensateur 37 une collection de 38 avec la pompe méthanol vakkumunym 39. le collecteur du méthanol du méthanol du méthanol relié au réservoir 21. la chambre de liquide 25 est reliée à la capacité de stockage de l'eau, qui, à son tour, par l'intermédiaire du dispositif d'arrêt est relié au circuit d'électrolyte. La pompe 40 assure la circulation du mélange à travers l'échangeur de chaleur 41 et l'évaporateur 25, la cavité de liquide. Périodiquement, à l'élimination du methanol et de l'eau dans le trajet de retour de l'électrolyte à travers la vanne 42 dans le circuit de l'évaporateur est introduit un nouveau lot de mélange méthanol-eau.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Déclarée ECG fonctionne comme suit. 2 à l'empilement de piles à combustible d'anode 1 est alimenté mélange méthanol-eau, le ventilateur 5 aux cathodes 15 est alimentée avec de l' air purifié à partir d' impuretés présentes dans le filtre mécanique 14 et de l'absorbeur de CO 2 16. Par suite de la réaction d'oxydation du méthanol au niveau des anodes formées de CO 2 et de l' eau, dont les piles à combustible sont emportées par l'écoulement du mélange méthanol-eau. L'eau résultante est éliminée dans les dispositifs 23 par évaporation sous vide à travers un pervaporatsionnuyu de la membrane, la séparation thermique ou la pervaporation de la vapeur d'eau et de méthanol. le chauffage de l'évaporateur thermique est réalisée avec un réchauffeur à brûleur catalytique 26, en utilisant des vapeurs de méthanol, séparé dans le dispositif de déshydratation et fourni à l'entrée 27 de la chambre de brûleur 26. Le liquide 25 pour l'évaporation thermique, qui reste après évaporation du méthanol, de l'eau, par l'intermédiaire de vannes 30 et le réservoir d'eau 12 est reliée avec le circuit d'électrolyte pour équilibrer l'eau. Le pervaporatsionnoy évaporateur à membrane pour éliminer la vapeur d'eau produite dans le vase par le vide créé dans la pompe de vapeur cavité 24 vakkuumnym 34 et membrane sélectivement perméable à l'égard de l'eau. La vapeur d'eau passant à travers le condenseur 32, condensé et recueilli dans un collecteur 33 qui est relié au réservoir 12. La diffusion de l'eau de la membrane de l'évaporateur composite est réalisé l'élimination du méthanol à partir du mélange méthanol-eau dans le vase de vapeur par le vide créé dans la cavité de la vapeur pompe 24 vakkuumnym 39. les vapeurs de méthanol en passant par le condenseur 37, condensé recueilli dans la collection 38 et amenés à un réservoir de méthanol 21. l'eau qui reste dans la cavité 25, après évaporation du méthanol est introduit dans l'électrolyte à travers le circuit résonant 12 et le diaphragme vanne 13. Anionoprovodyaschaya 3 placé sur l' anode de l'électrolyte empêche le CO 2 et de méthanol dans l'électrolyte alcalin. Ceci, d'une part, empêche la formation de carbonates et de la nécessité d'un nettoyage périodique de l'électrolyte dans le four de calcination 10 et l'autre - l'empoisonnement au méthanol du catalyseur de la cathode.

Description détaillée de la construction et le mode de fonctionnement du générateur électrochimique selon donne lieu à l'homme de l'art peut conclure que le générateur électrochimique revendiqué peut être réalisé dans la pratique avec la réalisation du résultat technique revendiquée et répond au critère "d'application industrielle".

REVENDICATIONS

1. Générateur électrochimique basé sur les piles à combustible au méthanol comprenant un empilement de piles à combustible, dont chacune comprend une anode et une cathode séparées par un électrolyte liquide, et la membrane conductrice d'ions disposée sur la surface de l'anode faisant face à la cathode, une boucle de circulation de l'électrolyte avec une pompe, un échangeur de chaleur et un réservoir d'électrolyte le mélange de méthanol et d'eau boucle de circulation avec une capacité de pompage d'un mélange de méthanol-eau et le séparateur gaz-liquide, le circuit d'air d'un ventilateur, caractérisé en ce que l'électrolyte liquide est prélevé du mélange méthanol-eau de la boucle de circulation de la solution alcaline aqueuse comprend en outre une élimination de l'eau et la cuve d'électrolyse est équipé de capteurs de niveau d'électrolyte.

2. Générateur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane conductrice ionique sur les anodes de l'empilement de piles à combustible est utilisée anionoprovodyaschaya membrane.

3. Générateur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de déshydratation est réalisé sous la forme d'un évaporateur thermique avec un élément chauffant, muni de vides de liquide et de vapeur pour séparer un mélange méthanol-eau à du methanol et de l'eau.

4. Générateur électrochimique selon l'une quelconque des revendications 1-3, caractérisé en ce que le dispositif de déshydratation est disposé sous la forme de deux évaporateurs connectés en série de chauffage thermique.

5. Générateur électrochimique selon la revendication. 3 ou 4, caractérisé en ce que le vaporisateur thermique en chauffant à l'aide du dispositif de chauffage, ce qui consomme du méthanol comme combustible.

6. Générateur électrochimique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est pourvu d'un brûleur catalytique d'évaporation thermique.

7. Générateur électrochimique selon l'une des revendications 3-6, caractérisé en ce que la chambre de vaporisation est reliée à une entrée de l'évaporateur thermique du brûleur catalytique, la sortie du brûleur catalytique est raccordé à un condenseur et du liquide à travers la cavité de vanne et un réservoir d'eau relié au circuit d'électrolyte.

8. Générateur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de déshydratation est réalisé sous la forme évaporateur pervaporatsionnoy membrane séparant la chambre de liquide et de vapeur évaporateur.

9. Générateur électrochimique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre à vapeur par l'intermédiaire dudit collecteur de l'évaporateur et du condenseur d'eau relié à une pompe à vide.

10. Générateur électrochimique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu 'une accumulation d'eau à travers la vanne d'eau reliée au circuit d'électrolyte.

11. Générateur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'évacuation d'eau est une membrane d'évaporation de diffusion poreuse composite, munie d'une couche hydrophobe ayant une perméabilité sélective aux vapeurs de methanol, en séparant le liquide et la vapeur évaporateur de la chambre, dans lequel la couche hydrophobe fait face à cavité de fluide secondaire.

12. Générateur électrochimique selon la revendication 11, dans lequel la couche hydrophobe est effectuée sur la base de siloxanes.

13. Générateur électrochimique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la chambre de diffusion de vapeur d'eau à travers le condenseur et l'évaporateur du methanol collecteur est relié à une pompe à vide et la cavité de fluide à travers la valve et un réservoir d'eau relié au circuit d'électrolyte.

14. Générateur électrochimique selon la revendication 13, caractérisé en ce que la collecte de méthanol au méthanol par l'intermédiaire d'une vanne reliée à la boucle de circulation du mélange metanolnovodyanoy.

15. Générateur électrochimique selon la revendication 1, dans lequel la concentration de la solution alcaline aqueuse dans la pile de cellules à combustible 35 g de poids 45.%, Et la température de fonctionnement de la batterie est de 55 g de 65 o C.

16. Générateur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrolyte prévu en outre le circuit d'électrolyte de pré-calcination.

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Date de publication 25.03.2007gg