[go: up one dir, main page]

RU2836840C1 - Method of operating solid oxide fuel cell (sofc) for combined production of electrical energy and nitrogen (ii) oxide - Google Patents

Method of operating solid oxide fuel cell (sofc) for combined production of electrical energy and nitrogen (ii) oxide Download PDF

Info

Publication number
RU2836840C1
RU2836840C1 RU2023102678A RU2023102678A RU2836840C1 RU 2836840 C1 RU2836840 C1 RU 2836840C1 RU 2023102678 A RU2023102678 A RU 2023102678A RU 2023102678 A RU2023102678 A RU 2023102678A RU 2836840 C1 RU2836840 C1 RU 2836840C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
range
anode
gas
nitrogen
ammonia
Prior art date
Application number
RU2023102678A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дэвид ВАЛЛЕР
Эгил РАСТЕН
Ингве ЛАРРИНГ
Original Assignee
Яра Интернэшнл Аса
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Яра Интернэшнл Аса filed Critical Яра Интернэшнл Аса
Application granted granted Critical
Publication of RU2836840C1 publication Critical patent/RU2836840C1/en

Links

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, specifically to a method for combined production of electrical energy and nitrogen oxide in a solid oxide fuel cell (SOFC), oxygen-containing gas is fed into cathode chamber while ammonia-containing gas stream is fed into anode chamber to produce electric current and nitrogen oxide. Anode material contains a composition A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, in which A is selected from a group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd, A' is selected from a group consisting of Ca, Sr and Ba, B and B' is selected from a group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4, y is in range from 0 to 1 and δ is in range from 0.025 to 0.3. Present invention also discloses a solid oxide fuel cell and a stack of solid oxide fuel cells for implementing the method and a method of producing nitric acid during operation of solid oxide fuel cells.
EFFECT: increased specific power of SOFC.
19 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится настоящее изобретениеField of technology to which the present invention relates

Настоящее изобретение относится к области твердооксидных топливных элементов для комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II), а также для интеграции соответствующих приложений, представляющих собой производство азотной кислоты, электролиз воды и разделение воздуха.The present invention relates to the field of solid oxide fuel cells for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide, as well as for the integration of related applications, such as nitric acid production, water electrolysis and air separation.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияPrior art of the present invention

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) представляет собой высокотемпературное устройство, которое является приспособлением для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую энергию. Твердооксидный топливный элемент составляет максимально плотная керамическая электролитная мембрана, способная транспортировать ионы, которые в большинстве случаев представляют собой кислородные ионы (О2-), когда к мембране приложен градиент парциального давления транспортируемых частиц. Для мембраны, которая транспортирует кислородные ионы, такой градиент создается, когда с мембраной находятся в контакте, например, воздух на одной стороне мембраны и газ с низким содержанием кислорода на другой стороне мембраны. В твердооксидном топливном элементе причина низкого парциального давления кислорода представляет собой газообразное топливо, которое окисляют кислородные ионы, транспортируемые через мембрану, как представлено схематически на фиг. 1.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a high-temperature device that is a device for directly converting chemical energy into electrical energy. A solid oxide fuel cell is a highly dense ceramic electrolyte membrane capable of transporting ions, which in most cases are oxygen ions ( O2- ), when a partial pressure gradient of the species being transported is applied across the membrane. For a membrane that transports oxygen ions, such a gradient is created when, for example, air on one side of the membrane and a gas with a low oxygen content on the other side of the membrane are in contact with the membrane. In a solid oxide fuel cell, the cause of the low partial pressure of oxygen is the gaseous fuel that is oxidized by the oxygen ions transported across the membrane, as shown schematically in Fig. 1.

На стороне мембраны с высоким парциальным давлением кислорода молекулы кислорода восстанавливаются и превращаются в кислородные ионы, которые внедряются в электролитную мембрану.On the side of the membrane with high partial pressure of oxygen, oxygen molecules are reduced and converted into oxygen ions, which are introduced into the electrolyte membrane.

O2+4е- → 2O2- O 2 +4e - → 2O 2-

Градиент парциального давления кислорода на мембране заставляет кислородные ионы двигаться в топливное пространство через вакансии кислородных ионов в кристаллической решетке электролитной мембраны. Когда кислородные ионы достигают поверхности топливного пространства мембраны, они реагируют с газообразным топливом. Могут подвергаться окислению разнообразные типы газообразного топлива, такие как водород, оксид углерода, метан и аммиак, и примеры соответствующих реакций представлены ниже:The oxygen partial pressure gradient across the membrane causes oxygen ions to move into the fuel space through the oxygen ion vacancies in the crystal lattice of the electrolyte membrane. When the oxygen ions reach the surface of the membrane fuel space, they react with the gaseous fuel. A variety of gaseous fuels such as hydrogen, carbon monoxide, methane, and ammonia can be oxidized, and examples of the reactions are shown below:

Н22- → H2O+2е- H 2 +O 2- → H 2 O+2e -

СО+О2- → CO2+2е- CO+O 2- → CO 2 +2e -

СН4+4O2- → 2H2O+CO2+8е- CH 4 +4O 2- → 2H 2 O+CO 2 +8e -

4NH3+3O2- → 3Н2О+2N2+6е- 4NH 3 +3O 2- → 3H 2 O+2N 2 +6e -

Из представленных выше реакций можно видеть, что в результате окисления газообразного топлива под действием транспортируемых кислородных ионов происходит высвобождение электронов. Чтобы осуществить процесс, в котором кислородная и топливная поверхности не поляризуются, и, таким образом, останавливается транспорт кислородных ионов, электроны из топливного пространства необходимо транспортировать в кислородное пространство. Электролит транспортирует кислородные ионы, но он представляет собой электрический изолятор, и, таким образом, электроны не могут проходить через электролит. Однако когда используются подходящие электроды на каждой из кислородной и топливной поверхностей, то есть анод на топливной поверхности и катод на кислородной поверхности, и существует электрическое соединение между ними, электрический ток проходит от анода к катоду. Движущая сила представляет собой электрический потенциал, то есть напряжение, источник которого представляет собой разность концентраций кислорода на мембране, согласно приведенной ниже формуле, и электрическая энергия генерируется согласно приведенной ниже формуле:From the above reactions, it can be seen that the oxidation of the gaseous fuel by the transported oxygen ions results in the release of electrons. In order to achieve the process in which the oxygen and fuel surfaces are not polarized and thus stop the transport of oxygen ions, electrons must be transported from the fuel space to the oxygen space. The electrolyte transports the oxygen ions, but it is an electrical insulator, and thus electrons cannot pass through the electrolyte. However, when suitable electrodes are used on each of the oxygen and fuel surfaces, that is, an anode on the fuel surface and a cathode on the oxygen surface, and there is an electrical connection between them, an electric current passes from the anode to the cathode. The driving force is an electric potential, that is, a voltage, the source of which is the difference in oxygen concentrations across the membrane, according to the formula below, and electric energy is generated according to the formula below:

в которой ESOFC (B) представляет собой напряжение твердооксидного топливного элемента, Emax представляет собой максимальное напряжение (В), заданное уравнением Нернста, imax представляет собой максимальную плотность электрического тока (для данного потока топлива), ηf представляет собой коэффициент использования топлива, а r1 и r2 представляют собой, соответственно, ионное и электронное удельное электрическое сопротивление электролита. Это уравнение было проверено и оказалось подходящим для исследований оптимизации и чувствительности на заводском уровне моделирования разнообразных систем, содержащих твердооксидные топливные элементы.where E SOFC (V) is the voltage of the solid oxide fuel cell, E max is the maximum voltage (V) given by the Nernst equation, i max is the maximum electric current density (for a given fuel flow), η f is the fuel utilization factor, and r 1 and r2 are the ionic and electronic resistivities of the electrolyte, respectively. This equation has been tested and found to be suitable for optimization and sensitivity studies at the plant level of modeling a variety of systems containing solid oxide fuel cells.

Чтобы получать высокий поток кислорода через мембрану и, следовательно, высокий электрический ток, электролит и электроды нагреваются до относительно низких температур, находящихся в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 500°С, или до умеренных температур, находящихся в диапазоне от приблизительно 500°С до приблизительно 750°С, или до высоких температур, находящихся в диапазоне от приблизительно 750°С до приблизительно 1000°С.In order to obtain a high oxygen flux through the membrane and, consequently, a high electric current, the electrolyte and the electrodes are heated to relatively low temperatures in the range of from about 400°C to about 500°C, or to moderate temperatures in the range of from about 500°C to about 750°C, or to high temperatures in the range of from about 750°C to about 1000°C.

Электроды в твердооксидном топливном элементе должны выполнять несколько функций. Прежде всего, они должны демонстрировать хорошую электрическую проводимость в условиях эксплуатации, в частности, при высокой температуре и высоком парциальном давлении кислорода на катоде и низком парциальном давлении кислорода на аноде, когда твердооксидный топливный элемент содержит электролит, проводящий кислородные ионы. Кроме того, они должны демонстрировать хорошее совпадение с выбранным электролитом в отношении коэффициента теплового расширения. Кроме того, они не должны образовывать с электролитом продукты реакции, которые проявляют изоляционные или резистивные свойства. Кроме того, в условиях эксплуатации они не должны ни плавиться, ни испаряться в чрезмерной степени, а также они должны обеспечивать достаточную устойчивость, таким образом, чтобы для них не требовалась чрезмерно частая замена, и чтобы сокращать до минимума эксплуатационные расходы. Электроды должны представлять собой проводники со смешанной ионной и электронной проводимостью (MIEC), то есть они должны проводить как кислородные ионы в мембране, проводящей кислородные ионы, или протоны в протонной электролитной мембране, так и электроны.The electrodes in a solid oxide fuel cell must fulfill several functions. First of all, they must exhibit good electrical conductivity under operating conditions, in particular at high temperature and high oxygen partial pressure at the cathode and low oxygen partial pressure at the anode when the solid oxide fuel cell contains an oxygen ion-conducting electrolyte. In addition, they must exhibit good agreement with the selected electrolyte in terms of the coefficient of thermal expansion. In addition, they must not form reaction products with the electrolyte that exhibit insulating or resistive properties. In addition, under operating conditions, they must neither melt nor evaporate to an excessive degree, and they must also provide sufficient stability so that they do not require excessively frequent replacement and so as to reduce operating costs to a minimum. The electrodes must be mixed ionic and electronic conductivity (MIEC) conductors, i.e. they must conduct both oxygen ions in an oxygen ion conducting membrane or protons in a proton electrolyte membrane, and electrons.

Что касается анода, то анод должен представлять собой хороший катализатор окисления.As for the anode, the anode must be a good oxidation catalyst.

В твердооксидных топливных элементах на основе электролитов, содержащих диоксид циркония и диоксид церия, как правило, находит применение композиционный анод на основе никеля, причем вторая фаза представляет собой стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (YSZ) или легированный гадолинием оксид церия (CGO). Металлический никель обеспечивает электронную проводимость, a YSZ или CGO обеспечивает некоторую ионную проводимость.Solid oxide fuel cells based on electrolytes containing zirconia and ceria typically employ a nickel-based composite anode, with the second phase being yttria-stabilized zirconia (YSZ) or gadolinium-doped ceria (CGO). The metallic nickel provides the electronic conductivity, and the YSZ or CGO provides some ionic conductivity.

Два других компонента плоского пластинчатого твердооксидного топливного элемента представляют собой соединенные друг с другом пластины коллекторы электрического тока. Указанные компоненты оказываются особенно важными в свете установки твердооксидных топливных элементов друг с другом, таким образом, чтобы получить пакет твердооксидных топливных элементов. Соединенные друг с другом пластины и коллекторы электрического тока, а также аноды, катоды и электролиты проиллюстрированы на схематическом изображении твердооксидного топливного элемента, которое представлено на фиг. 2. Для соединения друг с другом электродов, например, катодов и анодов, требуется хорошее совпадение с выбранным электролитом в отношении коэффициента теплового расширения.Two other components of the flat plate solid oxide fuel cell are interconnected plates and electric current collectors. These components are particularly important in the context of mounting solid oxide fuel cells together to form a stack of solid oxide fuel cells. The interconnected plates and electric current collectors, as well as the anodes, cathodes and electrolytes, are illustrated in the schematic representation of the solid oxide fuel cell shown in Fig. 2. For interconnecting the electrodes, such as the cathodes and anodes, a good match with the selected electrolyte is required in terms of the coefficient of thermal expansion.

Соединительные приспособления представляют собой газонепроницаемые пластины, обладающие электрической проводимостью, которые отделяют и направляют потоки кислорода и газообразного топлива. Для эксплуатации при высокой температуры, превышающей 900°С, эти пластины состоят из электропроводного керамического материала, такого как La1-xSrxCrO3. Задача, которая стала причиной разработки электролитов с высокой кислородной проводимостью и тонкопленочных электролитов, заключается в том, чтобы обеспечить эксплуатацию при таких температурах, при которых могут находить применение металлические соединительные приспособления. Чтобы обеспечить особенно хороший электрический контакт между электродами и соединительными приспособлениями, наиболее часто находит применение коллектор электрического тока, состоящий из металлической решетки или сетки.The connectors are gas-impermeable plates with electrical conductivity that separate and guide the oxygen and gaseous fuel flows. For high-temperature operation in excess of 900°C, these plates are made of an electrically conductive ceramic material such as La 1-x Sr x CrO 3 . The problem that led to the development of electrolytes with high oxygen conductivity and thin-film electrolytes is to ensure operation at temperatures at which metallic connectors can be used. In order to ensure particularly good electrical contact between the electrodes and the connectors, an electric current collector consisting of a metal grid or mesh is most often used.

Твердооксидный топливный элемент, который в процессе эксплуатации использует чистый водород в качестве топлива и воздух в качестве окислителя, может обеспечивать выход, составляющий приблизительно 60%, и может проявлять высокую максимальную удельную мощность, составляющую 2 Вт/см2, а также его можно эксплуатировать при температуре от 400°С до 500°С (Minh, «Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы XXI века», 2016 г.).The solid oxide fuel cell, which uses pure hydrogen as fuel and air as oxidizer during operation, can achieve an efficiency of approximately 60% and can exhibit a high maximum power density of 2 W/ cm2 , and can be operated at a temperature of 400°C to 500°C (Minh, “High-Temperature Solid Oxide Fuel Cells for the 21st Century,” 2016).

Ряд указанных основных блоков ТОТЭ можно устанавливать совместно, образуя пакет, как представлено схематически на фиг. 3; при этом число блоков от 50 до 100 не является необычным. Большая система ТОТЭ имеет модульную конструкцию, которую составляют многочисленные индивидуальные пакеты. Каждый пакет может генерировать мощность, составляющую вплоть до нескольких киловатт. В настоящее время наиболее крупные модули ТОТЭ генерируют мощность, составляющую приблизительно 300 кВт.A number of the above-mentioned basic SOFC units can be installed together to form a stack, as shown schematically in Fig. 3; in this case, a number of units from 50 to 100 is not unusual. A large SOFC system has a modular design, which is made up of numerous individual stacks. Each stack can generate power of up to several kilowatts. Currently, the largest SOFC modules generate power of approximately 300 kW.

Как известно, аммиак находит применение в качестве топлива в твердооксидном топливном элементе. В качестве топлива он имеет некоторые положительные аспекты. По сравнению с углеводородным топливом для аммиака требуется лишь незначительная обработка, такая как очистка, риформинг или увлажнение. При этом отсутствует риск образования углеродных отложений на аноде, как в случае углеводородов. При эксплуатации в составе типичного твердооксидного топливного элемента с анодами на никелевой основе обеспечивается такая же выходная электрическая мощность, как в случае эксплуатации твердооксидного топливного элемента с применением водорода в качестве топлива, потому что аммиак вступает в реакцию крекинга с образованием водорода и азота на аноде на никелевой основе перед тем, как аммиак окисляется. По существу, стандартный аммиачный твердооксидный топливный элемент представляет собой водородный твердооксидный топливный элемент вследствие крекинга аммиака с образованием азота и водорода (Dekker & Rietveld, Шестой форум ТОТЭ, 28 июня - 02 июля 2004 г., Люцерн (Швейцария)). Эта реакция крекинга является настолько эффективной, что стандартный аммиачный твердооксидный топливный элемент рассматривается как система генерации электрической энергии, производящая небольшое количество оксидов азота.As is well known, ammonia is used as a fuel in a solid oxide fuel cell. It has some positive aspects as a fuel. Compared to hydrocarbon fuels, ammonia requires only minor processing such as purification, reforming, or humidification. There is no risk of carbon deposits forming on the anode as is the case with hydrocarbons. When operated in a typical solid oxide fuel cell with nickel-based anodes, the same electrical power output is achieved as when operating a solid oxide fuel cell using hydrogen as a fuel because ammonia undergoes a cracking reaction to form hydrogen and nitrogen at the nickel-based anode before the ammonia is oxidized. Essentially, the standard ammonia solid oxide fuel cell is a hydrogen solid oxide fuel cell due to the cracking of ammonia to form nitrogen and hydrogen (Dekker & Rietveld, Sixth SOFC Forum, 28 June - 02 July 2004, Lucerne (Switzerland)). This cracking reaction is so efficient that the standard ammonia solid oxide fuel cell is considered a low-nitrogen oxide producing power generation system.

Если рассматриваются три возможных продукта окисления аммиака, а именно, азот, оксид азота(I) и оксид азота(II), согласно следующим реакциям:If three possible products of ammonia oxidation are considered, namely nitrogen, nitric oxide(I) and nitric oxide(II), according to the following reactions:

4NH3+3O2 → 2N2+6Н2О - 1267 кДж/моль 4NH3 + 3O22N2 + 6Н2О - 1267 kJ/mol

4NH3+4O2 → 2N2O+6H2O - 1103 кДж/моль 4NH3 + 4O22N2O + 6H2O - 1103 kJ/mol

4NH3+5O2 →4NO+6H2O - 906 кДж/моль4NH 3 +5O 2 →4NO+6H 2 O - 906 kJ/mol

может быть сделан вывод, что азот представляет собой наиболее благоприятный продукт в термодинамическом отношении, и, таким образом, если задача твердооксидного топливного элемента заключается в том, чтобы производить максимальную мощность, то азот представляет собой желательный продукт окисление аммиака. Однако для производства азотной кислоты требуется селективное окисление аммиака с образованием оксида азота(II). Это означает, что необходимо предотвращать термический крекинг аммиака с образованием азота и водорода при введении аммиака в твердооксидный топливный элемент, а также каталитический крекинг аммиака на анодах. По существу, новый анод должен быть сконструирован таким образом, чтобы осуществлять окисление аммиака с образованием оксида азота(II), а не азота или оксида азота(I).It can be concluded that nitrogen is the most favorable product thermodynamically, and thus if the objective of the solid oxide fuel cell is to produce maximum power, then nitrogen is the desired product of ammonia oxidation. However, the production of nitric acid requires selective oxidation of ammonia to form nitric oxide (II). This means that thermal cracking of ammonia to form nitrogen and hydrogen when introducing ammonia into the solid oxide fuel cell, as well as catalytic cracking of ammonia at the anodes, must be prevented. As such, the new anode must be designed to oxidize ammonia to form nitric oxide (II) rather than nitrogen or nitric oxide (I).

Документы предшествующего уровня техникиPrior Art Documents

В документе US 4,272,336 (Массачусетский технологический институт) раскрыты способы и устройства для производства оксида азота(II) (NO) из аммиака (NH3) с применением электролитических элементов и одновременным непосредственным производством электрической энергии. В этом документе описано, что типичные твердый электролиты, проводящие кислородные ионы, представляют собой твердые растворы, которые образуют оксиды, содержащие двухзарядные и трехзарядные катионы, такие как CaO, Sc2O3, Y2O3, La2O3 или подобные оксиды, и оксиды, содержащие четырехзарядные катионы, такие как ZrO2, ThO2 и CeO2. В качестве электродов предложены катализаторы, содержащие благородный металл, такой как платина. При этом в документе US 4,272,336 отсутствует какая-либо информация в отношении достигнутой степени превращения аммиака в оксид азота(II). В работе С.Е. Teague «Высокоэффективный аммиачный топливный элемент» (Массачусетский технологический институт, 1981 г., с 39) указано, что достигнутая степень превращения аммиака в оксид азота(II) составляет приблизительно 24% при соответствующей удельной мощности, составляющей приблизительно 0,2 мВт/см2.Document US 4,272,336 (Massachusetts Institute of Technology) discloses methods and devices for producing nitrogen(II) oxide (NO) from ammonia ( NH3 ) using electrolytic cells and simultaneously directly producing electrical energy. This document describes that typical solid electrolytes that conduct oxygen ions are solid solutions that form oxides containing divalent and trivalent cations, such as CaO, Sc2O3 , Y2O3 , La2O3 or similar oxides, and oxides containing tetravalent cations, such as ZrO2 , ThO2 and CeO2 . Catalysts containing a noble metal, such as platinum, are proposed as electrodes. However, document US 4,272,336 does not contain any information regarding the achieved degree of conversion of ammonia into nitrogen(II) oxide. In the work of S.E. Teague "Highly efficient ammonia fuel cell" (Massachusetts Institute of Technology, 1981, p. 39) it is indicated that the achieved degree of conversion of ammonia into nitrogen(II) oxide is approximately 24% with a corresponding specific power of approximately 0.2 mW/cm 2 .

В документе Dekker & Rietveld (Шестой форум ТОТЭ, 28 июня - 02 июля 2004 г., Люцерн (Швейцария), с. 1524) раскрыто окисление аммиака до азота с применением твердооксидного топливного элемента, в котором лишь оксиды азота производятся в качестве побочных продуктов лишь в незначительных количествах. Манганит лантана-стронция (LSM) был использован в качестве катод, но не в качестве анода; анод представлял собой никельсодержащий композиционный анод Ni/YSZ.A paper by Dekker & Rietveld (Sixth SOFC Forum, 28 June - 02 July 2004, Lucerne (Switzerland), p. 1524) discloses the oxidation of ammonia to nitrogen using a solid oxide fuel cell in which only minor amounts of nitrogen oxides are produced as by-products. Lanthanum strontium manganite (LSM) was used as the cathode but not as the anode; the anode was a nickel-containing Ni/YSZ composite anode.

В документе US 20160079623 (Корейский институт промышленной технологии) раскрыты способы получения твердого электролитного материала для твердооксидных топливных элементов. Водород был использован в качестве топлива. В этом документе описаны твердооксидные топливные элементы, содержащие анод NiO/YSZ, твердый электролит (YSZ) и катод LSM/YSZ. В документе US 20160079623 предложена замена электролита YSZ твердым электролитным материалом с высокой ионной проводимостью. В частности, стабилизированный иттербием и скандием диоксид циркония (YbScSZ) предложен в качестве альтернативного твердого электролитного материала.Document US 20160079623 (Korea Institute of Industrial Technology) discloses methods for producing a solid electrolyte material for solid oxide fuel cells. Hydrogen was used as a fuel. This document describes solid oxide fuel cells comprising a NiO/YSZ anode, a solid electrolyte (YSZ), and a LSM/YSZ cathode. Document US 20160079623 proposes replacing the YSZ electrolyte with a solid electrolyte material with high ion conductivity. In particular, ytterbium and scandium stabilized zirconia (YbScSZ) is proposed as an alternative solid electrolyte material.

В документе Cao et al. (ChemCatChem, 2014, 94, 6, 1190-1194) раскрыто применение максимально плотной мембраны, содержащей феррит лантана-стронция-кобальта (LSCF) и имеющей смешанную проводимость, для окисления аммиака с образованием оксида азота(II). Согласно изобретению Cao et al., поскольку электроны транспортируются из топливного пространства или мембраны в воздушное пространство внутри, никакая электрическая энергия не производится.Cao et al. (ChemCatChem, 2014, 94, 6, 1190-1194) disclose the use of a highly dense membrane containing lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) with mixed conductivity for the oxidation of ammonia to form nitric oxide (II). According to the invention of Cao et al., since electrons are transported from the fuel space or membrane to the air space inside, no electrical energy is produced.

В документе US 2017/062855 (Kceracell Co. Ltd.) раскрыт твердооксидный топливный элемент, содержащий электролит на основе диоксида церия. Электролит на основе диоксида церия содержит гадолиний (Gd) или самарий (Sm), а также дополнительно легирован иттербием (Yb) и висмутом (Bi) и проявляет свойства спекаемости при низкой температуре. Материал LSCF описан как обычный катодный материал со смешанной ионной и электронной проводимостью (MIEC). Электролит на основе диоксида церия находит применение, в частности, в качестве буферного слоя между электролитом на основе диоксида циркония и электродом со смешанной ионной и электронной проводимостью. Электролиты на основе диоксида циркония обычно используются в комбинации с катодными материалами со смешанной ионной и электронной проводимостью, такими как LSCF, потому что они не реагируют с катодами MIEC, в отличие от электролитов на основе диоксида циркония. В частности, электролит на основе диоксида церия (легированный гадолинием или самарием диоксид церия), содержащий CeO2 и от 5 до 10 мол. % Gd2O3 или Sm2O3, имеет высокую проводимость кислородных ионов и не реагирует с катодами MIEC, такими как LSCF, и в результате этого он находит широкое применение в качестве материала для буферного слоя, который расположен между электролитной мембраной твердооксидного топливного элемента на основе диоксида циркония (ZrO2) и катодным слоем со смешанной ионной и электронной проводимостью. Здесь описан, в частности, твердооксидный топливный элемент, содержащий легированный самарием электролит на основе диоксида церия.Document US 2017/062855 (Kceracell Co. Ltd.) discloses a solid oxide fuel cell comprising a ceria-based electrolyte. The ceria-based electrolyte comprises gadolinium (Gd) or samarium (Sm), and is further doped with ytterbium (Yb) and bismuth (Bi), and exhibits low-temperature sintering properties. The LSCF material is described as a conventional mixed ionic and electronic conductivity (MIEC) cathode material. The ceria-based electrolyte finds application, in particular, as a buffer layer between a zirconia-based electrolyte and a mixed ionic and electronic conductivity electrode. Zirconia-based electrolytes are typically used in combination with mixed ionic and electronic conductivity cathode materials such as LSCF because they do not react with MIEC cathodes, unlike zirconia-based electrolytes. In particular, a cerium dioxide-based electrolyte (gadolinium- or samarium-doped cerium dioxide) containing CeO 2 and 5 to 10 mol % Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 has high oxygen ion conductivity and does not react with MIEC cathodes such as LSCF, and as a result, it finds wide application as a material for a buffer layer, which is located between an electrolyte membrane of a zirconium dioxide-based solid oxide fuel cell (ZrO 2 ) and a cathode layer with mixed ionic and electronic conductivity. In particular, a solid oxide fuel cell comprising a samarium-doped cerium dioxide-based electrolyte is described herein.

В документе Hartley et al. (Catalysis Today, 2000, 55, 197-204) раскрыта каталитическая активность в отношении окисления метана, а также подверженность дезактивации в процессе образования углеродных отложений посредством сопоставления перовскитного материала La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3 (LSCF-6428), используемого в качестве анода и катода, с традиционным анодным материалом Ni/YSZ.Hartley et al. (Catalysis Today, 2000, 55, 197-204) reported the catalytic activity for methane oxidation and susceptibility to deactivation during carbon deposition by comparing the perovskite material La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF-6428) used as anode and cathode with a conventional Ni/YSZ anode material.

В документе Jamale et al. (Journal of Materials Science. Materials in Electronics, 2016, 27, 1, 795-799) раскрыты изготовление и исследование толстой пленки из композиционного материала La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-δ (LSCF)-Ce0,9Gd0,1O1,95 (GDC) для нанесения на аноды твердооксидных топливных элементов.In the paper by Jamale et al. (Journal of Materials Science. Materials in Electronics, 2016, 27, 1, 795-799), the fabrication and characterization of a thick film of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ (LSCF)-Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (GDC) composite material for deposition on solid oxide fuel cell anodes are disclosed.

В документе Lai et al. (Journal of Power Sources, 2011, 196, 4, 1826-1832) раскрыты наноструктурированные La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3/Y0,08Zr0,92O1,96/La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3 (LSCF/YSZ/LSCF) симметричные тонкопленочные твердооксидные топливные элементы.Lai et al. (Journal of Power Sources, 2011, 196, 4, 1826-1832) reported nanostructured La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 /Y 0.08 Zr 0.92 O 1.96 /La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (LSCF/YSZ/LSCF) symmetric thin film solid oxide fuel cells.

В документе Xu et al (Journal of Materials Science & Technology, 2017, 33, 11, 1329-1333) раскрыты изготовление и оптимизация электрода La0,4Sr0,6Co0,2Fe0,7Nb0,1O3-δ для симметричного твердооксидного топливного элемента, содержащего электролит на основе диоксида циркония.Xu et al (Journal of Materials Science & Technology, 2017, 33, 11, 1329-1333) reported the fabrication and optimization of the La electrode.0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ For symmetrical solid oxide fuel cell containing a zirconium dioxide-based electrolyte.

В документе Lu et al. (Electrochimica Acta, 2019, 323, 134857) раскрыт эффективный и устойчивый симметричный электрод La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,7Mo0,1O3-δ для прямых углеводородных твердооксидных топливных элементов.Lu et al. (Electrochimica Acta, 2019, 323 , 134857) reported an efficient and stable symmetrical La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.7Mo0.1O3 electrode for direct hydrocarbon solid oxide fuel cells.

В документе JP 2017082670 А раскрыт двигатель внутреннего сгорания, в том числе двигатель, эксплуатируемый посредством сжигания углеводородного топлива и содержащий сжигательное устройство для сжигания горючих веществ в составе выхлопного газа на пути потока выхлопного газа, по которому проходит выхлопной газ, производимый двигателем, и для окисления азота с удалением оксидов азота.Document JP 2017082670 A discloses an internal combustion engine, including an engine operated by burning hydrocarbon fuel and comprising a combustion device for burning combustible substances in an exhaust gas in an exhaust gas flow path through which the exhaust gas produced by the engine passes, and for oxidizing nitrogen to remove nitrogen oxides.

В документе US2019/284052 раскрыт способ производства азотной кислоты, в котором предусмотрен синтез аммиака посредством каталитического превращения подпиточного газа, содержащего водород и азот, в контуре синтеза аммиака, причем отходящий газ используется в качестве источника азота для получения вышеупомянутого подпиточного газа.Document US2019/284052 discloses a method for producing nitric acid, which provides for synthesizing ammonia by catalytically converting a make-up gas containing hydrogen and nitrogen in an ammonia synthesis loop, wherein the off-gas is used as a source of nitrogen to produce the aforementioned make-up gas.

В документе WO 2020/035521 A1 раскрыта новая концепция способа и системы для производства азотной кислоты с высокой эффективностью в отношении энергии и материалов, согласно которой, в частности, способ и система для производства азотной кислоты интегрированы со способом и системой для производства аммиака и выполнены с возможностью применения аммиака для производства большого количества энергии, которая расходуется, в частности, в форме электрической энергии, и при этом сохраняется высокая степень извлечения азотной кислоты в процессе превращения аммиака в азотную кислоту. В данном документе не раскрыт твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ).Document WO 2020/035521 A1 discloses a new concept of a method and system for producing nitric acid with high energy and material efficiency, according to which, in particular, the method and system for producing nitric acid are integrated with a method and system for producing ammonia and are designed to use ammonia to produce a large amount of energy, which is consumed, in particular, in the form of electrical energy, while maintaining a high degree of recovery of nitric acid in the process of converting ammonia into nitric acid. This document does not disclose a solid oxide fuel cell (SOFC).

Краткое описание фигурBrief description of the figures

На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация твердооксидного топливного элемента.Fig. 1 shows a schematic illustration of a solid oxide fuel cell.

На фиг. 2 представлен блок ТОТЭ, который может быть воспроизведен с образованием пакет твердооксидных топливных элементов.Fig. 2 shows a SOFC unit that can be reproduced to form a solid oxide fuel cell stack.

На фиг. 3 представляет пакет твердооксидных топливных элементов.Fig. 3 shows a stack of solid oxide fuel cells.

На фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация способа согласно варианту осуществления настоящему изобретению, в котором пар вводится в катодное пространство.Fig. 4 is a schematic illustration of a method according to an embodiment of the present invention, in which steam is introduced into the cathode space.

На фиг. 5 представлена схематическая иллюстрация способа согласно варианту осуществления настоящему изобретению, в котором, в качестве альтернативы, твердооксидный топливный элемент эксплуатируется в режиме потребления кислорода (режим ТОТЭ) с применением воздуха и в режиме электролиза воды как твердооксидный электролитический элемент (ТОЭЭ) с применением пара.Fig. 5 is a schematic illustration of a method according to an embodiment of the present invention, in which, alternatively, the solid oxide fuel cell is operated in an oxygen consumption mode (SOFC mode) using air and in a water electrolysis mode as a solid oxide electrolytic cell (SOEC) using steam.

На фиг. 6 представлен выход оксида азота(II) как функция удельной мощности для различных анодных материалов.Fig. 6 shows the nitrogen(II) oxide yield as a function of specific power for different anode materials.

Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief summary of the present invention

Согласно первому аспекту настоящего изобретения раскрыт способ эксплуатации твердооксидного топливного элемента для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II) (NO). Способ включает следующие стадии, на которых:According to a first aspect of the present invention, a method of operating a solid oxide fuel cell for the combined production of electrical energy and significant amounts of nitrogen oxide (II) (NO) is disclosed. The method comprises the following steps:

a) обеспечивают твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), содержащий анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск; катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод и газовый впуск и газовый выпуск; и максимально плотный твердый электролит, разделяющий катодное пространство и анодное пространство;(a) providing a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising an anode space comprising a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet; a cathode space comprising a solid gas-permeable cathode and a gas inlet and a gas outlet; and a maximally dense solid electrolyte separating the cathode space and the anode space;

b) вводят кислородсодержащий газ во впуск катодного пространства твердооксидного топливного элемента;b) introducing an oxygen-containing gas into the inlet of the cathode space of the solid oxide fuel cell;

c) вводят аммиаксодержащий газовый поток во впуск анодного пространства твердооксидного топливного элемента;c) introducing an ammonia-containing gas stream into the inlet of the anode space of the solid oxide fuel cell;

d) собирают оксид азота(II) на выпуске анодного пространства; иd) collecting nitrogen(II) oxide at the outlet of the anode space; and

e) собирают электрический ток, проходящий между анодным пространством и катодным пространством;e) collect the electric current passing between the anode space and the cathode space;

причем способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С, иwherein the method is carried out at a temperature in the range from 500 to 800°C, and

при этом анод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3, и при этом катод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3.wherein the anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B ' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3, and wherein the cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения раскрыт твердооксидный топливный элемент для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II) (NO). Этот твердооксидный топливный элемент содержит:According to a second aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell for the combined production of electrical energy and significant amounts of nitrogen oxide (II) (NO) is disclosed. This solid oxide fuel cell comprises:

- анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск;- an anode space containing a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet;

- источник газообразного аммиака, находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды или соединенный с газовым впуском в анодном пространстве;- a source of gaseous ammonia, which is in communication with the possibility of transferring the fluid medium or is connected to the gas inlet in the anode space;

- катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод, газовый впуск и газовый выпуск;- a cathode space containing a solid gas-permeable cathode, a gas inlet and a gas outlet;

- максимально плотный электролит, разделяющий анодное пространство и катодное пространство, в частности, содержащий композицию, выбранную из следующих:- a maximally dense electrolyte separating the anode space and the cathode space, in particular containing a composition selected from the following:

(a) Ce1-xGdxO2-δ, причем х находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом 5 находится в диапазоне от 0,05 до 0,1, и(a) Ce 1-x Gd x O 2-δ , where x is in the range from 0.1 to 0.2, and where 5 is in the range from 0.05 to 0.1, and

(b) Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем М представляет собой Al, Yb, Се, причем х находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем у находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, и при этом 5 находится в диапазоне от 0,01 до 0,06;(b) Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , where M is Al, Yb, Ce, where x is in the range from 0.03 to 0.2, where y is in the range from 0.001 to 0.01, and where 5 is in the range from 0.01 to 0.06;

- приспособление для нагревания твердооксидного топливного элемента до температуры, находящейся в диапазоне от 550 до 800°С; и- a device for heating a solid oxide fuel element to a temperature in the range of 550 to 800°C; and

- приспособление для сбора электрического тока, проходящего между анодным пространством и катодным пространством.- a device for collecting electric current passing between the anode space and the cathode space.

Анод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3. катод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3.The anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B ' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3. The cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения раскрыт пакет твердооксидных топливных элементов, содержащий по меньшей мере два или более твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению.According to a third aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell stack is disclosed comprising at least two or more solid oxide fuel cells according to the present invention.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения раскрыта система для производства азотной кислоты. Эту систему составляют:According to a fourth aspect of the present invention, a system for producing nitric acid is disclosed. This system comprises:

- установка Габера-Боша, содержащая выпуск для доставки аммиака, производимого установкой;- a Haber-Bosch unit containing an outlet for the delivery of ammonia produced by the unit;

- приспособление для нагревания аммиака, производимого установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания;- a device for heating ammonia produced by a Haber-Bosch plant to a temperature in the range of 500 to 800°C, so that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the heating device;

- пакет твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, в котором впуски анодных пространств элементов находятся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с выпуском приспособления для нагревания;- a stack of solid oxide fuel cells according to the present invention, in which the inlets of the anode spaces of the cells are in fluid communication with the outlet of the heating device;

- приспособление для переноса оксид азота(II) (NO), поступающего на выпусках анодных пространств элементов пакета, в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ или которая содержит катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) окисляется до газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота; и- a device for transferring nitrogen oxide (II) (NO), entering at the outlets of the anode spaces of the stack elements, to the oxidation section of the nitric acid production plant, into which oxygen-containing gas enters or which contains an ammonia oxidation catalyst, and in which nitrogen oxide (II) is oxidized to gaseous nitrogen oxides, which are, in particular, nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide; and

- приспособление для переноса газообразных оксидов азота в колонну для абсорбции азотной кислоты, в которой газообразные оксиды азота абсорбируются водным раствором, и в результате этого производится азотная кислота.- a device for transferring gaseous nitrogen oxides to a nitric acid absorption column in which the gaseous nitrogen oxides are absorbed by an aqueous solution, resulting in the production of nitric acid.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения раскрыт способ производства азотной кислоты. Этот способ включает последовательные стадии, на которых:According to a fifth aspect of the present invention, a method for producing nitric acid is disclosed. This method comprises successive stages in which:

a) производят аммиак в установке Габера-Боша;a) produce ammonia in a Haber-Bosch plant;

b) собирают производимый аммиак на выпуске установки Габера-Боша;b) collect the produced ammonia at the outlet of the Haber-Bosch unit;

c) нагревают аммиак, производимый установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания;c) heating the ammonia produced by the Haber-Bosch unit to a temperature in the range of 500 to 800°C in such a way that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the heating device;

d) переносят аммиак во впуски анодных пространств элементов пакета твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, в частности, во впуски анодных пространств элементов пакета твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению;d) transferring ammonia into the inlets of the anode spaces of the elements of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention, in particular into the inlets of the anode spaces of the elements of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention;

e) производят оксид азота(II) с применением способа согласно настоящему изобретению для комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II);e) producing nitrogen(II) oxide using the method according to the present invention for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide;

f) собирают производимый оксид азота(II) на выпуске твердооксидного топливного элемента согласно настоящему изобретению, в частности, на выпусках анодных пространств элементов пакета;f) collecting the produced nitrogen(II) oxide at the outlet of the solid oxide fuel cell according to the present invention, in particular at the outlets of the anode spaces of the stack elements;

g) переносят производимый оксид азота(II) в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ, или которая содержит катализатор окисления аммиака;g) transferring the produced nitrogen(II) oxide to the oxidation section of a nitric acid production plant, which is fed with oxygen-containing gas or which contains an ammonia oxidation catalyst;

h) окисляют оксид азота(II) с получением газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота;h) oxidize nitrogen(II) oxide to produce gaseous nitrogen oxides, which are, in particular, nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide;

i) переносят газообразные оксиды азота в абсорбционную секцию установки для производства азотной кислоты; иi) transfer gaseous nitrogen oxides to the absorption section of the nitric acid production plant; and

j) абсорбируют газообразные оксиды азота водным раствором для производства азотной кислоты.j) absorb gaseous nitrogen oxides in an aqueous solution to produce nitric acid.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения раскрыто применение твердооксидного топливного элемента согласно настоящему изобретению или пакета твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II) (NO).According to a sixth aspect of the present invention, there is disclosed the use of a solid oxide fuel cell according to the present invention or a stack of solid oxide fuel cells according to the present invention for the combined production of electrical energy and significant amounts of nitrogen oxide (II) (NO).

Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения раскрыто применение анода, содержащего композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3, в твердооксидном топливном элементе согласно настоящему изобретению, в пакете твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, в системе для производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению, в способе комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) согласно настоящему изобретению или в способе производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению.According to a seventh aspect of the present invention, there is disclosed the use of an anode comprising a composition A 1-x A' x B 1-y B ' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range of 0.025 to 0.3, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, in the solid oxide fuel cell stack according to the present invention, in the nitric acid production system according to the present invention, in the method for combined production of electric power and nitric oxide (II) according to the present invention, or in the method for producing nitric acid according to the present invention.

Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed disclosure of the present invention

Во всем тексте описания и формулы изобретения, которые представлены в настоящем документе, слова «включать» и соответствующие вариации означают «включающий, но без ограничения», и они не предназначены, чтобы исключать (и не исключают) другие фрагменты, добавки, компоненты, целые числа или стадии. Во всем тексте описания и формулы изобретения, которые представлены в настоящем документе, грамматические формы единственного числа могут означать и множественное число, если иное условие не требуется в соответствии с контекстом. В частности, в случае использования неопределенного артикля в описании настоящего изобретения следует понимать, что может быть предусмотрено как множественное, так и единственное число, если иное условие не требуется в соответствии с контекстом.Throughout the description and claims presented herein, the words "include" and variations thereof mean "including, but not limited to," and are not intended to (and do not) exclude other parts, additives, components, integers, or steps. Throughout the description and claims presented herein, the singular forms may include the plural unless the context otherwise requires. In particular, when the indefinite article "a" or "the" is used in the description of the present invention, it should be understood that both the plural and the singular may be intended unless the context otherwise requires.

Признаки, целые числа, характеристики, химические соединения, фрагменты или группы, которые описаны в сочетании с конкретным аспектом, вариантом осуществления или примером настоящего изобретения, следует понимать как применимые к любому другому аспекту, варианту осуществления или примеру, которые описаны в настоящем документе, если при этом отсутствует несовместимость. Все из признаков, которые раскрыты в описании настоящего изобретения (в том числе в любых пунктах сопровождающей формулы изобретения, в реферате и на фигурах), и/или все из стадий любого способа или процесса, описанного указанным образом, могут быть объединены в любой комбинации, за исключением комбинаций, в которых по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или стадий являются взаимоисключающими. Настоящее изобретение не ограничивается подробным описанием каких-либо представленных выше вариантов осуществления. Настоящее изобретение распространяется на любой новый признак или на любую новую комбинацию признаков, которые раскрыты в описании настоящего изобретения (в том числе в любых пунктах сопровождающей формулы изобретения, в реферате и на фигурах), или на любую новую стадию или на любую новую комбинацию стадий любого способа или процесса, которые описаны указанным образом.Features, integers, characteristics, chemical compounds, moieties or groups that are described in connection with a particular aspect, embodiment or example of the present invention shall be understood as applicable to any other aspect, embodiment or example that are described herein, unless there is incompatibility. All of the features that are disclosed in the description of the present invention (including in any of the accompanying claims, in the abstract and in the figures) and/or all of the steps of any method or process described in this manner may be combined in any combination, except for combinations in which at least some of such features and/or steps are mutually exclusive. The present invention is not limited by the detailed description of any of the embodiments presented above. The present invention extends to any new feature or any new combination of features that are disclosed in the description of the present invention (including any accompanying claims, abstract and figures), or to any new step or any new combination of steps of any method or process that are so described.

Представление численных значений посредством диапазонов значений распространяется на все целые и дробные значения в пределах указанных диапазонов, а также на указанные конечные значения. Термины «находится в диапазоне от … до …» или «от … до...» или «между … и …», которые используются для описания диапазона измеряемой величины, такой как параметр, количество, период времени и т.д., предназначены для включения соответствующих предельных значений описываемого диапазона.The presentation of numerical values by means of value ranges applies to all integer and fractional values within the stated ranges, as well as to the stated end values. The terms "ranges from ... to ..." or "from ... to ..." or "between ... and ...", which are used to describe the range of a measurand such as a parameter, quantity, period of time, etc., are intended to include the corresponding end values of the described range.

Согласно определению в настоящем документе водный раствор выбирают из группы, которую составляют вода, водный раствор, содержащий вплоть до 0,5 мас. % азотной кислоты, водный раствор, содержащий вплоть до 1 мас. % нитрата аммония, или их комбинации.According to the definition in this document, the aqueous solution is selected from the group consisting of water, an aqueous solution containing up to 0.5 wt. % nitric acid, an aqueous solution containing up to 1 wt. % ammonium nitrate, or combinations thereof.

Согласно определению в настоящем документе воздух представляет собой смесь газов, содержащую приблизительно 78 об. % азота и приблизительно 21 об. % кислорода и дополнительно содержащую приблизительно 0,9 об. % аргона, приблизительно 0,04 об. % диоксида углерода и другие газы в небольших количествах. Как правило, воздух также содержит некоторое количество водяного пара.As defined herein, air is a mixture of gases containing approximately 78 vol.% nitrogen and approximately 21 vol.% oxygen, and additionally containing approximately 0.9 vol.% argon, approximately 0.04 vol.% carbon dioxide, and other gases in small quantities. Air typically also contains some water vapor.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения раскрыт способ эксплуатации твердооксидного топливного элемента для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II) (NO). Этот способ включает следующие стадии, на которых: (а) обеспечивают твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), содержащий анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск; катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод и газовый впуск и газовый выпуск; и максимально плотный твердый электролит, разделяющий катодное пространство и анодное пространство; (b) вводят кислородсодержащий газ во впуск катодного пространства твердооксидного топливного элемента; (с) вводят аммиаксодержащий газовый поток во впуск анодного пространства твердооксидного топливного элемента; (d) удаляют газовый поток, содержащий оксид азота(II) в значительных количествах, на выпуске анодного пространства, или собирают оксид азота(II), в частности, газовый поток, содержащий оксид азота(II), на выпуске анодного пространства; и (е) собирают электрический ток, проходящий между анодным пространством и катодным пространством. Преимущество применения аммиака в качестве топлива заключается в том, что он представляет собой чистое топливо: в отличие от других видов топлива, таких как углеводородное топливо, никакое образование углеродных отложений не наблюдается в процессе окисления топлива, и никакой диоксид углерода не производится, что ограничивает выбросы парниковых газов в результате осуществления процесса. Потенциальные аммиаксодержащие газы представляют собой, но без ограничения, чистый газообразный аммиак, или смесь газообразного аммиака и пара, или смесь газообразного аммиака и инертного газа, такого как азот или аргон, или смесь газообразного аммиака и нескольких инертных газов, или смесь газообразного аммиака, пара и одного или нескольких инертных газов. Следует понимать, что, в зависимости от состава аммиаксодержащего газа, вместе с оксидом азота(II), пар и/или другие инертные газы, а также газообразный аммиак, который не превращается в оксид азота(II), могут собираться на выпуске анодного пространства.According to a first aspect of the present invention, a method of operating a solid oxide fuel cell for the combined production of electrical energy and significant amounts of nitrogen oxide (II) (NO) is disclosed. This method includes the following steps: (a) providing a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising an anode space comprising a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet; a cathode space comprising a solid gas-permeable cathode and a gas inlet and a gas outlet; and a maximally dense solid electrolyte separating the cathode space and the anode space; (b) introducing an oxygen-containing gas into the inlet of the cathode space of the solid oxide fuel cell; (c) introducing an ammonia-containing gas stream into the inlet of the anode space of the solid oxide fuel cell; (d) removing a gas stream containing nitrogen(II) oxide in significant quantities at the outlet of the anode space, or collecting nitrogen(II) oxide, in particular a gas stream containing nitrogen(II) oxide, at the outlet of the anode space; and (e) collecting the electric current passing between the anode space and the cathode space. The advantage of using ammonia as a fuel is that it is a clean fuel: unlike other fuels, such as hydrocarbon fuels, no formation of carbon deposits is observed during the oxidation of the fuel and no carbon dioxide is produced, which limits greenhouse gas emissions from the process. Potential ammonia-containing gases are, but are not limited to, pure ammonia gas, or a mixture of ammonia gas and steam, or a mixture of ammonia gas and an inert gas such as nitrogen or argon, or a mixture of ammonia gas and several inert gases, or a mixture of ammonia gas, steam and one or more inert gases. It should be understood that, depending on the composition of the ammonia-containing gas, together with nitrogen(II) oxide, steam and/or other inert gases, as well as ammonia gas that is not converted to nitrogen(II) oxide, can be collected at the outlet of the anode space.

Способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С. Катод содержит материал, подходящий для восстановления кислорода. Анод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси, первый переменная х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4, первый переменная у находится в диапазоне от 0 до 1 и первый переменная 5 находится в диапазоне от 0,025 до 0,3. В частности, А представляет собой La.The method is carried out at a temperature in the range from 500 to 800°C. The cathode comprises a material suitable for reducing oxygen. The anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B ' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are independently selected in each case from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof, the first variable x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4, the first variable y is in the range from 0 to 1 and the first variable 5 is in the range from 0.025 to 0.3. In particular, A is La.

Неожиданно авторы настоящего изобретения обнаружили, что степень превращения аммиака в оксид азота(II), составляющая по меньшей мере 80%, может быть достигнута с применением способа согласно настоящему изобретению. Кроме того, способ согласно настоящему изобретению допускает эксплуатацию твердооксидного топливного элемента при низком электрическом сопротивлении, составляющем 1 Ом/см2, и это означает, что кислородные ионы эффективно транспортируются от катода к аноду, и аммиак эффективно превращается в оксид азота(II). Когда электрическое сопротивление является высоким и находится в диапазоне от 10 до 15 Ом/см2, становится возможным введение дополнительной энергии для увеличения транспорта кислородных ионов от катода к аноду для достижения степени превращения аммиака в оксид азота(II), составляющей по меньшей мере 80%. Соответственно, специалист в данной области техники необязательно может вводить дополнительную энергию в элемент.Surprisingly, the inventors of the present invention have found that a conversion rate of ammonia to nitrogen(II) oxide of at least 80% can be achieved using the method of the present invention. In addition, the method of the present invention allows the solid oxide fuel cell to be operated at a low electrical resistance of 1 ohm/cm 2 , which means that oxygen ions are efficiently transported from the cathode to the anode, and ammonia is efficiently converted to nitrogen(II) oxide. When the electrical resistance is high and is in the range of 10 to 15 ohm/cm 2 , it becomes possible to introduce additional energy to increase the transport of oxygen ions from the cathode to the anode to achieve a conversion rate of ammonia to nitrogen(II) oxide of at least 80%. Accordingly, a person skilled in the art may not necessarily introduce additional energy into the cell.

Анод содержит перовскитную композицию общей формулы A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ. А и А' представляют собой крупные катионы. А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd, и А' выбирают из группы, которую составляют La, Са, Sr или Ва. В частности, А представляет собой La, и устойчивость анода увеличивается, когда уменьшается восстановительный потенциал перовскитной композиции, которая содержится в аноде, и в результате этого ускоряется транспорт кислородных ионов через композицию, и, следовательно, увеличивается степень превращения аммиака в оксид азота(II). В и В' представляют собой катионы меньших размеров. В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси.The anode comprises a perovskite composition of the general formula A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ . A and A' are large cations. A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd, and A' is selected from the group consisting of La, Ca, Sr or Ba. In particular, A is La, and the stability of the anode increases when the reduction potential of the perovskite composition contained in the anode decreases, and as a result of this, the transport of oxygen ions through the composition is accelerated, and, consequently, the degree of conversion of ammonia into nitrogen oxide (II) increases. B and B' are smaller cations. B and B' are independently selected in each case from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof.

Степень окисления катионов А, А', В и В' производит воздействие на электронную структуру перовскита и, таким образом, на ионные и электронные свойства твердооксидного топливного элемента, используемого в способе согласно настоящему изобретению. В целях сохранения нейтральности заряда уменьшение степени окисления А' может приводить, например, к увеличению степени окисления В или к уменьшению числа вакансий кислородных ионов в композиции, в результате чего уменьшается ионная проводимость.The oxidation state of the cations A, A', B and B' affects the electronic structure of the perovskite and thus the ionic and electronic properties of the solid oxide fuel cell used in the method according to the present invention. In order to maintain charge neutrality, a decrease in the oxidation state of A' can lead, for example, to an increase in the oxidation state of B or to a decrease in the number of oxygen ion vacancies in the composition, as a result of which the ionic conductivity decreases.

Было обнаружено, что при увеличении значения первой переменной х в описанной выше перовскитной структуре увеличивается концентрация кислородных вакансий, в результате чего может увеличиваться подвижность кислородных ионов; это увеличение ионной проводимости представляет собой положительный эффект, который следует учитывать при рассмотрении перовскитной композиции. Однако при увеличении значения х также уменьшается устойчивость перовскитной композиции по отношению к восстановлению. Таким образом, х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4 в целях достижения оптимальной ионной и электрической проводимости, но в то же время и достаточной устойчивости перовскитной композиции.It has been found that with an increase in the value of the first variable x in the perovskite structure described above, the concentration of oxygen vacancies increases, as a result of which the mobility of oxygen ions can increase; this increase in ionic conductivity is a positive effect that should be taken into account when considering the perovskite composition. However, with an increase in the value of x, the stability of the perovskite composition with respect to reduction also decreases. Thus, x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4 in order to achieve optimal ionic and electrical conductivity, but at the same time sufficient stability of the perovskite composition.

В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси. Было обнаружено, что в результате увеличения количества Со и Fe увеличивается ионная проводимость, однако также уменьшается устойчивость в отношении восстановления перовскитной композиции. Посредством частичного замещения Со и/или Fe и введения Cr, Mn, V или их комбинации устойчивость перовскитной композиции увеличивается. Посредством увеличения содержания Со, и/или Mn, и/или Cr электрическая проводимость может увеличиваться.B and B' are each independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof. It has been found that by increasing the amount of Co and Fe, the ionic conductivity increases, but the stability with respect to reduction of the perovskite composition also decreases. By partially replacing Co and/or Fe and introducing Cr, Mn, V or a combination thereof, the stability of the perovskite composition increases. By increasing the content of Co and/or Mn and/or Cr, the electrical conductivity can increase.

Ионная проводимость увеличивается при увеличении градиента парциального давления кислорода между анодом и катодом. Следовательно, чем выше концентрация кислорода в кислородсодержащем газе, который вводится во впуск катода, тем выше электрическая проводимость.Ionic conductivity increases with increasing oxygen partial pressure gradient between the anode and cathode. Therefore, the higher the oxygen concentration in the oxygen-containing gas introduced into the cathode inlet, the higher the electrical conductivity.

В частности, катод содержит композицию A1-xA'xB1-уВ'уО3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3. В частности, А' представляет собой Sr и Са в целях ослабления реакции катода с кислородсодержащим газом, введенным во впуск катодного пространства.In particular, the cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B ' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3. In particular, A' represents Sr and Ca in order to weaken the reaction of the cathode with an oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space.

В способе согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения оксид азота(II) составляет по меньшей мере 10% и предпочтительно от 10 до 80% массы продукта или газового потока, который собирается или удаляется на выпуске анодного пространства.In a method according to one embodiment of the present invention, nitrogen(II) oxide constitutes at least 10% and preferably from 10 to 80% of the mass of the product or gas stream that is collected or removed at the outlet of the anode space.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения способ осуществляют при температуре, которая находится в диапазоне от 700 до 750°С.According to one embodiment of the present invention, the method is carried out at a temperature that is in the range of 700 to 750°C.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в способе комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) анод и катод содержат композицию La0,6oSr0,40Co0,20Fe0,80O3. Было обнаружено, что в результате применения этой конкретной перовскитной композиции была достигнута степень превращения аммиака в оксид азота(II), составляющая 76%, по сравнению со степенью превращения, составляющей лишь 5%, которая достигается с применением платинового анода и катода предшествующего уровня техники. Кроме того, при температуре 750°С может быть произведена удельная мощность, составляющая 80 мВт/см2. Кроме того, при использовании одинаковых перовскитных композиций для анода и катода уменьшаются эксплуатационные расходы вследствие уменьшения числа химических элементов в топливном элементе, и в результате этого происходит упрощение топливного элемента.According to one embodiment of the present invention, in the method for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide, the anode and cathode comprise a composition of La 0.6 oSr 0.40 Co 0.20 Fe 0.80 O 3 . It was found that by using this particular perovskite composition, a conversion rate of ammonia to nitrogen(II) oxide of 76% was achieved, compared to a conversion rate of only 5%, which is achieved using a platinum anode and cathode of the prior art. In addition, at a temperature of 750 ° C, a specific power of 80 mW / cm 2 can be produced. In addition, by using the same perovskite compositions for the anode and cathode, operating costs are reduced due to a decrease in the number of chemical elements in the fuel cell, and as a result, a simplification of the fuel cell occurs.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в способе комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) кислородсодержащий газ представляет собой воздух, пар, кислород или смесь азота и кислорода. Посредством введения воздуха или смеси азота и кислорода в результате восстановления в катодном пространстве получается газ с уменьшенным содержанием кислорода, который может быть направлен в воздухоразделительную установку, где воздух разделяется на свои основные компоненты, представляющие собой азот и кислород; и поскольку уменьшается содержание кислорода в газе, который поступает в воздухоразделительную установку, уменьшается работа, которую должна производить воздухоразделительная установка для разделения газообразного кислорода и газообразного азота.According to one embodiment of the present invention, in the method for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide, the oxygen-containing gas is air, steam, oxygen or a mixture of nitrogen and oxygen. By introducing air or a mixture of nitrogen and oxygen, as a result of reduction in the cathode space, a gas with a reduced oxygen content is obtained, which can be sent to an air separation unit, where the air is separated into its main components, which are nitrogen and oxygen; and since the oxygen content of the gas that enters the air separation unit is reduced, the work that the air separation unit must perform to separate gaseous oxygen and gaseous nitrogen is reduced.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения способ комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 750°С, и при этом электролит представляет собой электролит на основе диоксида церия. Преимущество эксплуатации при таких умеренных температурах заключается в том, что увеличивается устойчивость перовскитной композиции, и, следовательно, уменьшаются расходы, связанные с обслуживанием анода. Существует ряд преимуществ эксплуатации элемента при низкой температуре в диапазоне от 350 до 500°С или при умеренной температуре в диапазоне от 500 до 750°С. Первое преимущество заключается в том, что могут быть использованы менее дорогостоящие материалы, а не специальные сплавы, такие как нержавеющая сталь. Кроме того, повышается устойчивость электродов. Кроме того, при уменьшении температуры уменьшается тепловое расширение электролита, и сокращается образование резистивных слоев на поверхности раздела между электролитом и электродами и электродами и соединительными приспособлениями. Наконец, эксплуатация в низкотемпературном диапазоне допускает применение дешевого электролита на основе диоксида церия. В частности, композиция электролита представляет собой Ce1-xGdxO2-δ, причем первая переменная х находится в диапазоне от 0,1 до 0,2 и при этом вторая переменная δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1. Этот электролит на основе диоксида церия оказывается особенно подходящим в случае элемента, который эксплуатируется при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 750°С, поскольку при повышении температуры может возникать некоторая электрическая проводимость, которая уменьшает коэффициент полезного действия элемента.According to one embodiment of the present invention, the method for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide is carried out at a temperature in the range of 500 to 750°C, and the electrolyte is an electrolyte based on cerium dioxide. The advantage of operating at such moderate temperatures is that the stability of the perovskite composition increases, and therefore the costs associated with the maintenance of the anode are reduced. There are a number of advantages to operating the cell at a low temperature in the range of 350 to 500°C or at a moderate temperature in the range of 500 to 750°C. The first advantage is that less expensive materials can be used, rather than special alloys such as stainless steel. In addition, the stability of the electrodes is increased. In addition, with a decrease in temperature, the thermal expansion of the electrolyte decreases, and the formation of resistive layers at the interface between the electrolyte and the electrodes and the electrodes and connecting devices is reduced. Finally, the low-temperature range operation allows the use of a low-cost electrolyte based on cerium dioxide. In particular, the electrolyte composition is Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein the first variable x is in the range from 0.1 to 0.2 and wherein the second variable δ is in the range from 0.05 to 0.1. This cerium dioxide electrolyte turns out to be particularly suitable in the case of a cell that is operated at a temperature in the range from 500 to 750 °C, since with increasing temperature some electrical conductivity may occur, which reduces the efficiency of the cell.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения способ комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 750 до 800°С, и электролит представляет собой электролит на основе диоксида циркония. При увеличении температуры проводимость кислородных ионов в электролите увеличивается, и, следовательно, уменьшается электрическое сопротивление электрода, в результате чего производится дополнительная энергия.According to one embodiment of the present invention, the method for the combined production of electrical energy and nitrogen(II) oxide is carried out at a temperature in the range of 750 to 800°C, and the electrolyte is a zirconium dioxide-based electrolyte. As the temperature increases, the conductivity of oxygen ions in the electrolyte increases, and, consequently, the electrical resistance of the electrode decreases, resulting in the production of additional energy.

В частности, композиция электролита представляет собой Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем М представляет собой Al, Yb, Се, первая переменная х находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем вторая переменная у находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, и при этом третья переменная δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06. Такой электролит обеспечивает удовлетворительный транспорт кислородных ионов и оказывается особенно подходящим при повышенных температурах, находящихся в диапазоне от 750 до 800°С. Вспомогательное легирующее вещество М добавляют для подавления перехода кубической фазы в ромбоэдрическую, который происходит при температуре от 750 до 900°С и вызывает механическую неустойчивость и уменьшение ионной проводимости. В частности, электролит представляет собой самостоятельную мембрану толщиной от 50 до 200 мкм на катоде или аноде. Поскольку транспорт кислорода через электролит непосредственно связан с градиентом кислородного потенциала, кислородный поток увеличивается при уменьшении толщины мембраны. В частности, самостоятельная электролитная пленка имеет толщину, составляющую от 100 до 150 мкм, и наносится на катод или анод при толщине, составляющей приблизительно от 20 до 50 мкм. В частности, тонкий мембранный электролит наносится на катод.In particular, the electrolyte composition is Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , where M is Al, Yb, Ce, the first variable x is in the range from 0.03 to 0.2, where the second variable y is in the range from 0.001 to 0.01, and wherein the third variable δ is in the range from 0.01 to 0.06. Such an electrolyte ensures satisfactory transport of oxygen ions and is particularly suitable at elevated temperatures ranging from 750 to 800 °C. The auxiliary alloying substance M is added to suppress the transition of the cubic phase to the rhombohedral phase, which occurs at a temperature of 750 to 900 °C and causes mechanical instability and a decrease in ionic conductivity. In particular, the electrolyte is an independent membrane with a thickness of 50 to 200 μm on the cathode or anode. Since the oxygen transport through the electrolyte is directly related to the oxygen potential gradient, the oxygen flow increases with decreasing membrane thickness. In particular, the independent electrolyte film has a thickness of 100 to 150 μm and is applied to the cathode or anode at a thickness of approximately 20 to 50 μm. In particular, the thin membrane electrolyte is applied to the cathode.

В качестве альтернативы, толщина анода или катода составляет более чем 500 мкм, и, таким образом, соответствующий электрод может выступать в качестве физического носителя тонкопленочного электролита, у которого толщина находится в диапазоне от 5 до 30 мкм. Редкий элемент скандий (Sc) имеет высокую стоимость. Однако при температуре, составляющей 750°С и выше, такая самостоятельная тонкий пленка, представляющая собой легированный скандием электролит, обеспечивает удовлетворительный транспорт кислородных ионов при умеренной стоимости.Alternatively, the thickness of the anode or cathode is more than 500 μm, and thus the corresponding electrode can act as a physical carrier of a thin-film electrolyte whose thickness is in the range of 5 to 30 μm. The rare element scandium (Sc) has a high cost. However, at a temperature of 750 °C and above, such a self-contained thin film, which is a scandium-doped electrolyte, provides satisfactory oxygen ion transport at a moderate cost.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в способе комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) пар представляет собой кислородсодержащий газ, который вводится во впуск катодного пространства на стадии (а), и газообразный водород собирается на выпуске катода. В результате образования водорода на катоде производится пригодное для применения топливо, которое может быть впоследствии использовано, например, в производстве аммиака на установке Габера-Боша. По существу, как представлено на фиг. 4, в результате производства водорода может производиться дополнительный аммиак (например, с применением установки Габера-Боша), который может быть направлен в качестве топлива в анодное пространство элемента. Таким образом, этот способ обеспечивает совместное производство оксида азота(II) и газообразного водорода, которые необходимы для производства азотной кислоты и аммиака, соответственно.According to one embodiment of the present invention, in the method for the combined production of electrical energy and nitrogen oxide (II), the steam is an oxygen-containing gas, which is introduced into the inlet of the cathode space in step (a), and hydrogen gas is collected at the outlet of the cathode. As a result of the formation of hydrogen at the cathode, a usable fuel is produced, which can subsequently be used, for example, in the production of ammonia in a Haber-Bosch plant. In fact, as shown in Fig. 4, as a result of the production of hydrogen, additional ammonia can be produced (for example, using a Haber-Bosch plant), which can be sent as fuel to the anode space of the cell. Thus, this method provides for the combined production of nitrogen oxide (II) and hydrogen gas, which are necessary for the production of nitric acid and ammonia, respectively.

Кроме того, как применение пара в качестве кислородсодержащего газа, так и производство газообразного водорода представляют собой функции, которые осуществляются в процессе электролиза воды с применением водного электролизера. Это означает, что способ согласно настоящему изобретению дополнительно обеспечивает электролиз воды, и что система, используемая в этом способе, может находить применение не только в качестве твердооксидного топливного элемента, но также в качестве водного электролизера с применением пара в качестве кислородсодержащего газа. Кроме того, соответствующее применение пара и аммиака в качестве исходного газа на впусках катодного и анодного пространств твердооксидного топливного элемента делает возможным производство водорода с применением меньшего количества энергии, чем в традиционном электролизере: кислородный градиент, создаваемый введением газа во впуск катодного пространства, обеспечивает более высокое содержание кислорода по сравнению с газом, который вводится во впуск анодного пространства, и в результате этого создается естественное движение потока кислородных ионов от катода к аноду, что обеспечивает производство водорода, оксида азота(II) и электрической энергии.In addition, both the use of steam as an oxygen-containing gas and the production of hydrogen gas are functions that are carried out in the process of water electrolysis using a water electrolyzer. This means that the method according to the present invention additionally provides water electrolysis, and that the system used in this method can be used not only as a solid oxide fuel cell, but also as a water electrolyzer using steam as an oxygen-containing gas. In addition, the respective use of steam and ammonia as a feed gas at the inlets of the cathode and anode spaces of the solid oxide fuel cell makes it possible to produce hydrogen using less energy than in a traditional electrolyzer: the oxygen gradient created by introducing the gas into the inlet of the cathode space provides a higher oxygen content compared to the gas that is introduced into the inlet of the anode space, and as a result of this, a natural flow of oxygen ions from the cathode to the anode is created, which ensures the production of hydrogen, nitrogen oxide (II) and electrical energy.

В частности, когда пар используется в качестве кислородсодержащего газа, рекомендуется приложение к элементу напряжения, находящегося в диапазоне от 0,5 до 0,6 В, чтобы упрощать поток кислородных ионов от катода и в результате этого способствовать производству оксида азота(II) в анодном пространстве.In particular, when steam is used as the oxygen-containing gas, it is recommended to apply a voltage in the range of 0.5 to 0.6 V to the cell in order to facilitate the flow of oxygen ions from the cathode and thereby promote the production of nitrogen(II) oxide in the anode space.

В частности, пар представляет собой кислородсодержащий газ, введенный во впуск катодного пространства на стадии (а), газообразный водород собирается на выпуске катода, кислородсодержащий газ, введенный во впуск катодного пространства, представляет собой альтернативу воздуха и пара, и газ, который собирается на выпуске анодного пространства, представляет собой альтернативу обедненного кислородом воздуха и водорода, соответственно.In particular, the steam is an oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space in step (a), hydrogen gas is collected at the outlet of the cathode, the oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space is an alternative of air and steam, and the gas that is collected at the outlet of the anode space is an alternative of oxygen-depleted air and hydrogen, respectively.

Рассмотрим фиг. 5. Как упомянуто выше, способ согласно настоящему изобретению дополнительно обеспечивает электролиз воды, и система, используемая в этом способе, может находить применение не только в качестве твердооксидного топливного элемента, но также в качестве водного электролизера с применением пара в качестве кислородсодержащего газа. В случае обратимой установки одна и та же установка может переключаться между режимом топливного элемента и режимом электролизера посредством простой замеры воздуха паром в качестве исходного материала, который поступает на катод. Такое переключение оказывается возможным, поскольку используемый катод способен регулировать как условия интенсивного окисления при введении воздуха, так и условия интенсивного восстановления в производстве газообразного водорода. Основную проблему, с которой связан электролиз воды в целях производства газообразного водорода без образования диоксида углерода, представляет собой динамическая нагрузка и возможность переключения режимов, так называемая гибкость, которая означает, что установка должна запускаться и останавливаться согласно вводу энергии, то есть природосберегающей возобновляемой энергии, производимой из солнечных или ветровых станций. Вследствие ограниченной гибкости установки требуется аккумулирование энергии, например, с применением батарей или аккумуляторов водорода, которые представляют собой наиболее реалистичные варианты, но которые являются весьма дорогостоящими. Кроме того, снижение применения электролизера делает традиционную концепцию весьма дорогостоящей и уменьшает срок службы электролизера, в частности, в случае его эксплуатации при температуре от 750 до 900°С. Теперь с применением способа согласно настоящему изобретению требуется только аккумулирование аммиака и пара, чтобы одновременно производить оксид азота(II) и водород; как аммиак, так и пар отличается относительно невысокой стоимостью, и производится постоянное количество оксида азота(II), независимо от изменчивости вводимой энергии. Кроме того, в способе согласно настоящему изобретению, вследствие непрерывного производства в присутствии аккумулирования аммиака, преодолеваются проблемы разрушения, связанные с высокой температурой, при которой водные электролизеры эксплуатируются в периодическом режиме: при полном использовании оборудования установки эксплуатационные расходы уменьшаются.Let us consider Fig. 5. As mentioned above, the method according to the present invention additionally provides water electrolysis, and the system used in this method can be used not only as a solid oxide fuel cell but also as a water electrolyzer using steam as the oxygen-containing gas. In the case of a reversible installation, the same installation can be switched between the fuel cell mode and the electrolyzer mode by simply measuring the air with steam as the starting material, which is supplied to the cathode. Such switching is possible since the cathode used is able to regulate both the conditions of intense oxidation when introducing air and the conditions of intense reduction in the production of hydrogen gas. The main problem associated with the electrolysis of water for the production of hydrogen gas without the formation of carbon dioxide is the dynamic load and the possibility of switching modes, the so-called flexibility, which means that the installation must be started and stopped according to the energy input, i.e. environmentally friendly renewable energy produced from solar or wind power plants. Due to the limited flexibility of the plant, energy storage is required, for example using batteries or hydrogen accumulators, which are the most realistic options, but which are very expensive. In addition, the reduction in the use of the electrolyzer makes the conventional concept very expensive and reduces the service life of the electrolyzer, in particular when it is operated at a temperature of 750 to 900 ° C. Now, with the use of the method according to the invention, only ammonia and steam storage are required in order to simultaneously produce nitrogen(II) oxide and hydrogen; both ammonia and steam are relatively inexpensive and a constant amount of nitrogen(II) oxide is produced, regardless of the variability of the energy input. In addition, in the method according to the invention, due to the continuous production in the presence of ammonia storage, the problems of destruction associated with the high temperature at which water electrolyzers are operated in a batch mode are overcome: with full use of the equipment of the plant, the operating costs are reduced.

В частности, воздух представляет собой кислородсодержащий газ, введенный во впуск катодного пространства на стадии (а), и в результате этого производится обедненный кислородом воздух на выпуске катода, и обедненный кислородом воздух, производимый на выпуске катода, направляют в воздухоразделительную установку. В частности, смесь, содержащая газообразный азот и газообразный кислород, представляет собой кислородсодержащий газ, введенный во впуск катодного пространства на стадии (а), и в результате этого производится смесь, содержащая газообразный азот и газообразный кислород, на выпуске катода, и уменьшается содержание газообразного кислорода по сравнению со смесью газов, введенных во впуск катода. Эту смесь, содержащую газообразный азот и газообразный кислород, которая собирается на выпуске катода, направляют в воздухоразделительную установку.In particular, the air is an oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space in step (a), and as a result of this, oxygen-depleted air is produced at the outlet of the cathode, and the oxygen-depleted air produced at the outlet of the cathode is sent to the air separation unit. In particular, the mixture containing nitrogen gas and oxygen gas is an oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space in step (a), and as a result, a mixture containing nitrogen gas and oxygen gas is produced at the outlet of the cathode, and the content of oxygen gas is reduced compared to the mixture of gases introduced into the inlet of the cathode. This mixture containing nitrogen gas and oxygen gas, which is collected at the outlet of the cathode, is sent to the air separation unit.

Как упомянуто выше, в результате введения воздуха после восстановления в катодном пространстве получается газ с уменьшенным содержание кислорода, который может быть введен в воздухоразделительную установку; когда уменьшается содержание кислорода в газе, который вводится в воздухоразделительную установку, эта воздухоразделительная установка должна производить меньшую работу для разделения газообразного кислорода и газообразного азота. Кроме того, в результате переработки воздуха с уменьшенным содержанием кислорода в воздухоразделительной установке производится большее количество газообразного азота для установки Габера-Боша.As mentioned above, by introducing air after reduction in the cathode space, a gas with reduced oxygen content is obtained, which can be introduced into the air separation plant; when the oxygen content of the gas introduced into the air separation plant is reduced, the air separation plant must perform less work to separate gaseous oxygen and gaseous nitrogen. In addition, by processing air with reduced oxygen content in the air separation plant, a larger amount of gaseous nitrogen is produced for the Haber-Bosch plant.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения раскрыт твердооксидный топливный элемент для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II) (NO). В этом твердооксидном топливном элементе присутствуют анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск; источник газообразного аммиака, находящийся в сообщении с возможностью переноса текучей среды или соединенный с газовым впуском анодного пространства; катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод, газовый впуск и газовый выпуск; максимально плотный электролит, разделяющий анодное пространство и катодное пространство, в частности, содержащий композицию, выбранную из следующих: (i) Ce1-xGdxO2-δ, причем х находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1, и (ii) Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем М представляет собой Al, Yb, Се, причем х находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем у находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, и при этом δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06; а также приспособление для нагревания твердооксидного топливного элемента до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С; и приспособление для сбора электрического тока, проходящего между анодным пространством и катодным пространством.According to a second aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell for the combined production of electrical energy and significant amounts of nitrogen oxide (II) (NO) is disclosed. This solid oxide fuel cell comprises an anode space comprising a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet; a source of gaseous ammonia in fluid communication with or connected to the gas inlet of the anode space; a cathode space comprising a solid gas-permeable cathode, a gas inlet and a gas outlet; a maximally dense electrolyte separating the anode space and the cathode space, in particular comprising a composition selected from the following: (i) Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein x is in the range from 0.1 to 0.2, and wherein δ is in the range from 0.05 to 0.1, and (ii) Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , wherein M is Al, Yb, Ce, wherein x is in the range from 0.03 to 0.2, wherein y is in the range from 0.001 to 0.01, and wherein δ is in the range from 0.01 to 0.06; as well as a device for heating the solid oxide fuel cell to a temperature in the range from 500 to 800°C; and a device for collecting the electric current passing between the anode space and the cathode space.

Катод содержит материал, подходящий для восстановления кислорода в кислородсодержащем газе, и анод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3.The cathode comprises a material suitable for reducing oxygen in an oxygen-containing gas, and the anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3.

В частности, катод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,25 до 0,3.In particular, the cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.25 to 0.3.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в твердооксидном топливном элементе анод и катод содержат композицию La0,60Sr0,40Co0,20Fe0,80O3.According to one embodiment of the present invention, in a solid oxide fuel cell, the anode and cathode comprise a composition of La 0.60 Sr 0.40 Co 0.20 Fe 0.80 O 3 .

В частности, композиция электролита представляет собой Ce1-xGdxO2-δ, причем х находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1, и приспособление для нагревания элемента допускает нагревание до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 750°С.In particular, the electrolyte composition is Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein x is in the range from 0.1 to 0.2, and wherein δ is in the range from 0.05 to 0.1, and the device for heating the element allows heating to a temperature in the range from 500 to 750°C.

В частности, электролит представляет собой Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем М представляет собой Al, Yb, Се, причем х находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем у находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, и при этом δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06, и приспособление для нагревания элемента допускает нагревание до температуры, находящейся в диапазоне от 750 до 800°С.In particular, the electrolyte is Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , wherein M is Al, Yb, Ce, wherein x is in the range from 0.03 to 0.2, wherein y is in the range from 0.001 to 0.01, and wherein δ is in the range from 0.01 to 0.06, and the device for heating the element allows heating to a temperature in the range from 750 to 800°C.

В технике известны подходящие источники газообразного аммиака. Например, может быть использован любой аммиачный контейнер или аммиачный резервуар.Suitable sources of gaseous ammonia are known in the art. For example, any ammonia container or ammonia tank can be used.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения твердооксидный топливный элемент дополнительно содержит приспособление для реакции оксида азота(II) в сообщении с возможностью переноса текучей среды с выпуском анодного пространства.According to one embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell further comprises a means for reacting nitrogen(II) oxide in fluid communication with the outlet of the anode space.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения твердооксидный топливный элемент дополнительно содержит приспособление для реакции оксида азота(II), находящееся в сообщении с возможностью переноса текучей среды соединенное с выпуском анодного пространства, и приспособление для реакции оксида азота(II) представляет собой окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ, или в которой содержится катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) окисляется до газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота.According to one embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell further comprises a device for reacting nitric oxide (II) in fluid communication connected to the outlet of the anode space, and the device for reacting nitric oxide (II) is an oxidation section of a nitric acid production plant that receives an oxygen-containing gas or that contains an ammonia oxidation catalyst and in which nitric oxide (II) is oxidized to gaseous nitrogen oxides, which are, in particular, nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в твердооксидном топливном элементе дополнительно присутствует окислительная секция установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ, или в которой содержится катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) окисляется до газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота, причем эта секция находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с выпуском анодного пространства, а также присутствует колонна для абсорбции азотной кислоты, в которой газообразные оксиды азота, производимые в окислительной секции, абсорбируются водным раствором. Таким образом, с применением твердооксидного топливного элемента согласно настоящему изобретению оказывается возможным производство азотной кислоты без применения горелки для окисления аммиака, которая присутствует в традиционных установках для производства азотной кислоты.According to one embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell further comprises an oxidation section of the nitric acid production unit, into which an oxygen-containing gas is supplied or which contains an ammonia oxidation catalyst, and in which nitrogen(II) oxide is oxidized to gaseous nitrogen oxides, which are, in particular, nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide, wherein this section is in fluid communication with the outlet of the anode space, and a nitric acid absorption column is also present, in which the gaseous nitrogen oxides produced in the oxidation section are absorbed by an aqueous solution. Thus, with the use of the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is possible to produce nitric acid without using an ammonia oxidation burner, which is present in traditional nitric acid production units.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в твердооксидном топливном элементе выпуск катода находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды или соединяется с воздухоразделительной установкой.According to one embodiment of the present invention, in a solid oxide fuel cell, the cathode outlet is in fluid communication or is connected to an air separation unit.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения раскрыт пакет твердооксидных топливных элементов, содержащий по меньшей мере два или большее число элементов согласно настоящему изобретению. В частности, помимо комбинации твердооксидных топливных элементов для получения пакета твердооксидных топливных элементов, специалист в данной области техники может непосредственно объединять пакеты твердооксидных топливных элементов таким образом, чтобы обеспечивать производство оксида азота(II) и электрической энергии в необходимых количествах.According to a third aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell stack is disclosed, comprising at least two or more elements according to the present invention. In particular, in addition to combining solid oxide fuel cells to obtain a solid oxide fuel cell stack, a person skilled in the art can directly combine solid oxide fuel cell stacks in such a way as to ensure the production of nitrogen(II) oxide and electrical energy in the required quantities.

Пакет может содержать, например, 50 элементов. Его можно герметизировать посредством плавления стеклокерамического уплотнения или сварки армированных металлом элементов. После герметизации пакет невозможно открыть или отремонтировать в случае неисправности одного элемента. Для предотвращения проблем, таких как высокое электрическое сопротивление всего пакета, вследствие расслаивания или закоксовывания электрода лишь в одном элементе оказывается необходимым, как описано выше, обеспечения достаточной устойчивости компонентов элементов установки, в частности, электродов, которые во множественном числе образуют данный пакет.The package may contain, for example, 50 elements. It may be sealed by melting a glass-ceramic seal or welding metal-reinforced elements. Once sealed, the package cannot be opened or repaired if one element fails. In order to prevent problems such as high electrical resistance of the entire package due to delamination or coking of the electrode in only one element, it is necessary, as described above, to ensure sufficient stability of the components of the installation elements, in particular the electrodes, which in the plural form the package.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения раскрыта система для производства азотной кислоты. В этой системе присутствуют установка Габера-Боша с выпуском для сбора аммиака, производимого установкой; приспособление для нагревания аммиака, производимого установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания; твердооксидный топливный элемент согласно настоящему изобретению, в частности, пакет твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, в котором впуски анодных пространств элементов находятся в сообщении с возможностью переноса текучей среды или соединяются с выпуском приспособления для нагревания аммиака; приспособление для переноса оксида азота(II), собираемого на выпусках анодных пространств элементов пакета, в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ, или в которой содержится катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) (NO) окисляется до газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота; и приспособление для переноса газообразных оксидов азота в колонну для абсорбции азотной кислоты, в которой газообразные оксиды азота абсорбируются водным раствором, и в результате этого производится азотная кислота. В частности, газообразный аммиак, производимый установкой Габера-Боша, нагревается с применением теплообменной системы, в которой тепло обеспечивают экзотермические реакции, происходящие в системе для производства аммиака, к которой относится установка Габера-Боша, или в окислительной секции, или в результате абсорбции газообразных оксидов азота в абсорбционной колонне. Таким образом, система является энергетически эффективной, и тепло, которое выделяется в производстве аммиака или азотной кислоты, используется для нагревания газообразного аммиака, производимого установкой Габера-Боша, до необходимой температуры в целях его превращения в оксид азота(II) в твердооксидном топливном элементе.According to a fourth aspect of the present invention, a system for producing nitric acid is disclosed. The system comprises a Haber-Bosch unit with an outlet for collecting ammonia produced by the unit; a device for heating the ammonia produced by the Haber-Bosch unit to a temperature in the range of 500 to 800°C, so that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the heating device; a solid oxide fuel cell according to the present invention, in particular a stack of solid oxide fuel cells according to the present invention, in which the inlets of the anode spaces of the cells are in fluid communication or are connected to the outlet of the ammonia heating device; a device for transferring nitrogen oxide (II) collected at the outlets of the anode spaces of the stack elements to an oxidation section of a nitric acid production plant, into which an oxygen-containing gas is supplied or which contains an ammonia oxidation catalyst, and in which nitrogen oxide (II) (NO) is oxidized to gaseous nitrogen oxides, which are, in particular, nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide; and a device for transferring gaseous nitrogen oxides to a nitric acid absorption column, in which gaseous nitrogen oxides are absorbed by an aqueous solution, and as a result of this nitric acid is produced. In particular, the gaseous ammonia produced by the Haber-Bosch plant is heated using a heat exchange system in which heat is provided by exothermic reactions occurring in the ammonia production system to which the Haber-Bosch plant belongs, either in the oxidation section or as a result of the absorption of gaseous nitrogen oxides in the absorption column. Thus, the system is energy efficient, and the heat released in the production of ammonia or nitric acid is used to heat the gaseous ammonia produced by the Haber-Bosch plant to the required temperature for its conversion into nitrogen(II) oxide in the solid oxide fuel cell.

В частности, пакет твердооксидных топливных элементов находит применение в системе согласно настоящему изобретению для производства азотной кислоты, поскольку это допускает производство азотной кислоты в промышленном масштабе, причем производительность составляет от 100 до 2800 тонн азотной кислоты в сутки. Тем не менее, для специалиста в данной области техники оказывается очевидным, что в результате применения единственного твердооксидного топливного элемента также осуществляется производство азотной кислоты.In particular, a stack of solid oxide fuel cells finds application in the system according to the present invention for producing nitric acid, since this allows the production of nitric acid on an industrial scale, with a capacity of 100 to 2800 tons of nitric acid per day. However, it is obvious to a person skilled in the art that the use of a single solid oxide fuel cell also results in the production of nitric acid.

Следовательно, посредством применения системы для одновременного производства оксид азота(II) и водород, в системе согласно настоящему изобретению допускается комбинация высокотемпературного водного электролизера и горелки для окисления аммиака, в результате чего получается установка для производства азотной кислоты, в которой аммиак окисляется до оксида азота(II) в той же установке. Окислительная и абсорбционная секции установки для производства азотной кислоты затем интегрируются в целях производства азотной кислоты из оксида азота(II), который производится на этой единственной установке. Кроме того, как описано выше, воздухоразделительная установка также может быть интегрированной посредством возврата обедненного кислородом воздуха на выпуске катодного пространства в воздухоразделительную установку, и при эксплуатации воздухоразделительная установка будет сберегаться энергия, как описано выше. В качестве альтернативы, может быть рекомендовано применение воздухоразделительной установки меньшей производительности.Therefore, by using a system for simultaneously producing nitrogen(II) oxide and hydrogen, the system according to the present invention allows a combination of a high-temperature water electrolyzer and an ammonia oxidation burner, thereby obtaining a nitric acid production plant in which ammonia is oxidized to nitrogen(II) oxide in the same plant. The oxidation and absorption sections of the nitric acid production plant are then integrated for the purpose of producing nitric acid from nitrogen(II) oxide, which is produced in this single plant. In addition, as described above, the air separation plant can also be integrated by returning the oxygen-depleted air at the outlet of the cathode space to the air separation plant, and the air separation plant will save energy in operation as described above. Alternatively, it may be recommended to use an air separation plant with a smaller capacity.

Согласно конкретному варианту осуществления в системе дополнительно присутствуют устройство для сжигания аммиака, которое расположено ниже по потоку и, следовательно, в сообщении с возможностью переноса текучей среды с выпусками анодных пространств элементов пакета, а также приспособление для переноса газа, собираемого на этих выпусках, в устройство для сжигания аммиака. Устройство для сжигания аммиака выполнено с возможностью окисления аммиака, который не был превращен в оксид азота(II) в элементах пакета. По существу, как указано выше, аммиак, который не был подвергнут превращению в элементах пакета, собирается вместе с оксидом азота(II) на выпусках анодных пространств элементов пакета. В целях сокращения до минимума потерь аммиака в процессе производства азотной кислоты и увеличения производимого количества азотной кислоты, аммиак, который не был подвергнут превращению, окисляется до оксида азота(II) в устройстве для сжигания аммиака. В устройстве для сжигания аммиака может содержаться хорошо известный катализатор окисления аммиака, такой как катализатор на основе платины или катализатор на основе перовскита. В качестве альтернативы, в устройстве для сжигания аммиака может содержаться катализатор на оксидной основе. Кроме того, устройство для сжигания аммиака может быть оборудовано приспособлением, в которое поступает кислородсодержащий газ, такой как кислород, воздух или обогащенный кислородом воздух. Газы, которые образуются в результате окисления в устройстве для сжигания, затем переносятся в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, и, таким образом, в системе дополнительно присутствует приспособление для осуществления такого переноса.According to a specific embodiment, the system further comprises an ammonia combustion device, which is located downstream and, therefore, in fluid communication with the outlets of the anode spaces of the stack elements, as well as a device for transferring the gas collected at these outlets to the ammonia combustion device. The ammonia combustion device is designed to oxidize the ammonia that has not been converted into nitrogen oxide(II) in the stack elements. Essentially, as indicated above, the ammonia that has not been converted in the stack elements is collected together with nitrogen oxide(II) at the outlets of the anode spaces of the stack elements. In order to minimize ammonia losses during the nitric acid production process and to increase the amount of nitric acid produced, the ammonia that has not been converted is oxidized to nitrogen oxide(II) in the ammonia combustion device. The ammonia combustion device may contain a well-known ammonia oxidation catalyst, such as a platinum-based catalyst or a perovskite-based catalyst. Alternatively, the ammonia combustion device may contain an oxide-based catalyst. In addition, the ammonia combustion device may be equipped with a device into which an oxygen-containing gas, such as oxygen, air or oxygen-enriched air, is supplied. The gases that are formed as a result of oxidation in the combustion device are then transferred to the oxidation section of the nitric acid production plant, and thus, a device for carrying out such a transfer is additionally present in the system.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения раскрыт способ производства азотной кислоты. Этот способ составляют последовательные стадии, на которых: (а) производят аммиак в установке Габера-Боша; (b) собирают произведенный аммиак на выпуске установки Габера-Боша; (с) нагревают аммиак, производимый установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°С, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания аммиака; (d) переносят аммиак во впуск анодных пространств элементов пакета твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению; (е) производят оксид азота(II) с применением способа комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) согласно настоящему изобретению; (f) собирают произведенный оксид азота(II) (NO) на выпусках анодных пространств элементов пакета; (g) переносят произведенный оксид азота(II) в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ, или в которой содержится катализатор окисления аммиака; (h) окисляют оксид азота(II) с получением газообразных оксидов азота, представляющих собой, в частности, диоксид азота и тетраоксид диазота; (i) переносят газообразные оксиды азота в абсорбционную секцию установки для производства азотной кислоты; и (j) абсорбируют газообразные оксиды азота водным раствором с получением азотной кислоты.According to a fifth aspect of the present invention, a method for producing nitric acid is disclosed. The method comprises the successive steps of: (a) producing ammonia in a Haber-Bosch unit; (b) collecting the produced ammonia at the outlet of the Haber-Bosch unit; (c) heating the ammonia produced by the Haber-Bosch unit to a temperature in the range of from 500 to 800°C, so that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the ammonia heating device; (d) transferring the ammonia to the inlet of the anode spaces of the elements of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention; (e) producing nitric oxide (II) using the method for the combined production of electrical energy and nitric oxide (II) according to the present invention; (f) collecting the produced nitric oxide (II) (NO) at the outlets of the anode spaces of the elements of the stack; (g) transferring the produced nitrogen(II) oxide to an oxidation section of a nitric acid production plant which receives an oxygen-containing gas or which contains an ammonia oxidation catalyst; (h) oxidizing the nitrogen(II) oxide to produce gaseous nitrogen oxides, which are in particular nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide; (i) transferring the gaseous nitrogen oxides to an absorption section of the nitric acid production plant; and (j) absorbing the gaseous nitrogen oxides with an aqueous solution to produce nitric acid.

В частности, пакет твердооксидных топливных элементов находит применение в способе производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению, поскольку его применение допускает осуществление производства азотной кислоты в промышленном масштабе. Тем не менее, для специалиста в данной области техники является очевидным, что в результате применения даже единственного твердооксидного топливного элемента также производится азотная кислота.In particular, the solid oxide fuel cell stack is used in the method for producing nitric acid according to the present invention, since its use allows the production of nitric acid to be carried out on an industrial scale. However, it is obvious to a person skilled in the art that even a single solid oxide fuel cell also produces nitric acid.

Согласно конкретному варианту осуществления в способе дополнительно присутствует стадия, на которой газы, собираемые на выпусках анодных пространств элементов пакета, переносят в устройство для сжигания аммиака. В способе дополнительно присутствует стадия, на которой в устройстве для сжигания аммиака окисляют до оксида азота(II) аммиак, не подвергнутый превращению в элементах пакета. Газы, которые образуются в результате окисления в устройстве для сжигания, затем переносят в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты. Необязательно в способе дополнительно присутствует стадия, на которой в устройство для сжигания аммиака с применением соответствующего приспособления вводят кислородсодержащий газ, такой как кислород, воздух или обогащенный кислородом воздух. Посредством введения этого кислородсодержащего газа улучшается, окисление аммиака в устройстве для сжигания аммиака.According to a specific embodiment, the method additionally comprises a stage in which the gases collected at the outlets of the anode spaces of the stack elements are transferred to an ammonia combustion device. The method additionally comprises a stage in which ammonia that has not been converted in the stack elements is oxidized to nitrogen(II) oxide in the ammonia combustion device. The gases that are formed as a result of oxidation in the combustion device are then transferred to the oxidation section of the nitric acid production plant. Optionally, the method additionally comprises a stage in which an oxygen-containing gas, such as oxygen, air or oxygen-enriched air, is introduced into the ammonia combustion device using a suitable device. By introducing this oxygen-containing gas, the oxidation of ammonia in the ammonia combustion device is improved.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения раскрыто применение твердооксидного топливного элемента согласно настоящему изобретению или пакета твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению для комбинированного производства электрической энергии и значительных количеств оксида азота(II).According to a sixth aspect of the present invention, there is disclosed the use of a solid oxide fuel cell according to the present invention or a stack of solid oxide fuel cells according to the present invention for the combined production of electrical energy and significant quantities of nitrogen(II) oxide.

Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения раскрыто применение анода, содержащего композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой А выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; А' выбирают из группы, которую составляют Са, Sr и Ва; В и В' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Со, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; х находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; у находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3, в твердооксидном топливном элементе согласно настоящему изобретению, в пакете твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, в системе для производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению, в способе комбинированного производства электрической энергии и оксида азота(II) согласно настоящему изобретению или в способе производства азотной кислоты согласно настоящему изобретению.According to a seventh aspect of the present invention, there is disclosed the use of an anode comprising a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range of 0.025 to 0.3, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, in the solid oxide fuel cell stack according to the present invention, in the nitric acid production system according to the present invention, in the method for combined production of electric power and nitric oxide (II) according to the present invention, or in the method for producing nitric acid according to the present invention.

ПримерыExamples

Пример 1Example 1

МатериалыMaterials

Были изготовлены элементы диаметром 20 мм, содержащие самостоятельный легированный оксидом скандия электролит на основе диоксида циркония (SSZ) толщиной 150 мкм. Для изготовления анода и катода использовали смешанный оксид La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-δ (LSCF) с ромбоэдрически искаженной перовскитной структурой.Elements with a diameter of 20 mm containing a self-contained 150 μm thick scandium oxide-doped zirconium dioxide (SSZ) electrolyte were fabricated. The anode and cathode were fabricated using a mixed oxide La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ (LSCF) with a rhombohedrally distorted perovskite structure.

Для целей сравнения с анодом LSCF был также изготовлен платиновый анод из проводящей платиновой пасты. После высушивания при температуре 100°С анод спекали в течение 2 часов при температуре 1150°С. В первоначальных исследованиях с применением анода из чистой платиновой пасты было продемонстрировано очень высокое сопротивление элемента, которое было обусловлено поровой адгезией платинового слоя к гладкой поверхности электролита.For comparison purposes with the LSCF anode, a platinum anode was also fabricated from conductive platinum paste. After drying at 100°C, the anode was sintered for 2 hours at 1150°C. Initial studies using a pure platinum paste anode demonstrated very high cell resistance, which was attributed to the pore adhesion of the platinum layer to the smooth electrolyte surface.

Эксплуатационные характеристики элемента были измерены в испытательной установке, в которой содержались трубка из оксида алюминия, внутренняя газораспределительная трубка, золотая сетка и проводник в качестве коллектора электрического тока для анода. Вторая золотая сетка и проводник выступали в качестве коллектора электрического тока для катода.The cell performance was measured in a test setup that contained an aluminum oxide tube, an internal gas distribution tube, a gold grid, and a conductor as an electric current collector for the anode. A second gold grid and conductor acted as an electric current collector for the cathode.

Приспособление из оксида алюминия позволяло равномерно сжимать элемент в целях герметизации элемента, и элемент герметизировали посредством нагревания в трубчатой печи в течение 12 часов при температуре 950°С. В этом приспособлении также содержалась кварцевая трубка, которая обеспечивала поток смеси кислорода и аргона над катодом. Газообразное топливо, в данном случае разбавленный аммиак, вводили над анодом с помощью внутренней трубки из оксида алюминия. Для улучшения электрического контакта золотой сетки, представляющей собой коллектор электрического тока, анода и катода, слой золотой пасты наносили на сетку и электроды.An aluminum oxide fixture allowed the element to be uniformly compressed to seal the element, and the element was sealed by heating in a tube furnace for 12 hours at 950°C. The fixture also contained a quartz tube that provided a flow of oxygen and argon mixture over the cathode. The gaseous fuel, in this case dilute ammonia, was introduced over the anode by means of an inner aluminum oxide tube. To improve the electrical contact of the gold grid, which is the collector of the electric current, the anode and the cathode, a layer of gold paste was applied to the grid and the electrodes.

Схема экспериментаExperimental design

На анод поступали аргон, кислород и гелий. На анод поступал аммиак из газового резервуара, содержащего 10% NH3 в аргоне. После элемента газ с анода дополнительно разбавляли с получением композиции, содержащей NH3, NO, NO2, N2O и Н2О в пределах калиброванных диапазонов инфракрасного анализатора с преобразованием Фурье.Argon, oxygen, and helium were fed to the anode. Ammonia was fed to the anode from a gas reservoir containing 10% NH 3 in argon. After the cell, the gas from the anode was further diluted to obtain a composition containing NH 3 , NO, NO 2 , N 2 O, and H 2 O within the calibrated ranges of the Fourier transform infrared analyzer.

Степень превращения аммиака и селективность его окисления до NO, NO2 и N2O определяли, используя инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье Gasmet CR4000. Газопроводы между анодом элемента и инфракрасным анализатором с преобразованием Фурье, а также аргон в качестве газа-разбавителя были обеспечены сопроводительным нагреванием до 180°С в целях предотвращения конденсации кислоты. Инфракрасный анализатор калибровали для NH3, NO, NO2 и N2O, используя калибровочные газовые смеси. Газовый микрохроматограф Agilent Technologies 490 использовали для обнаружения кислорода и гелия в газе, выходящем с анода, в целях проверки успешной герметизации элемента.The conversion of ammonia and the selectivity of its oxidation to NO, NO 2 and N 2 O were determined using a Gasmet CR4000 Fourier Transform Infrared Spectrometer. The gas lines between the cell anode and the Fourier Transform Infrared Analyzer, as well as argon as a diluent gas, were provided with accompanying heating to 180 °C to prevent condensation of the acid. The infrared analyzer was calibrated for NH 3 , NO, NO 2 and N 2 O using calibration gas mixtures. An Agilent Technologies 490 Gas Micro Chromatograph was used to detect oxygen and helium in the gas leaving the anode to verify successful sealing of the cell.

Потенциостат / импедансный анализатор Gamry Reference 3000 с программным обеспечением ZView, разработанным компанией Scribner Associates Inc., обеспечивал определение потенциала на элементе в зависимости от электрического тока, проходящего через элемент, и производимой мощности в зависимости от электрического тока, проходящего через элемент.A Gamry Reference 3000 potentiostat/impedance analyzer with ZView software from Scribner Associates Inc. provided the potential across the cell as a function of the current through the cell and the power produced as a function of the current through the cell.

Процедура исследованияResearch procedure

После герметизации и испытания на герметичность элемент охлаждали от температуры герметизации, составляющей 950°С, до 700°С. После исследования при температуре 700°С температуру элемента увеличивали до 750°С для исследования. Для исследования при каждой температуре аммиак использовали в концентрациях, составляющих 1 и 10%. Скорость потока газообразной смеси аммиака и аргона составляла от 9 мл/мин вплоть до 150 мл/мин; при этом меньшие скорости потока были использованы для исходного газа, содержащего 10% аммиака в аргоне.After sealing and leak testing, the cell was cooled from the sealing temperature of 950°C to 700°C. After testing at 700°C, the cell temperature was increased to 750°C for testing. Ammonia was used at concentrations of 1 and 10% for testing at each temperature. The flow rate of the ammonia-argon gas mixture ranged from 9 ml/min up to 150 ml/min; lower flow rates were used for the feed gas containing 10% ammonia in argon.

Электрический ток через элемент регулировали, используя гальваностат. Элементы LSCF-SSZ-LSCF проявляли достаточно низкое электрическое сопротивление, для которого в сочетании с градиентом кислородного потенциала вследствие потока кислородсодержащего газа катодом и потока аммиаксодержащего газа над анодом не требовался приложенный потенциал для обеспечения кислородного потока или электрического тока. Таким образом, элементы производили электрическую энергию.The electrical current through the cell was controlled using a galvanostat. The LSCF-SSZ-LSCF cells exhibited a low enough electrical resistance that, in combination with the oxygen potential gradient due to the oxygen-containing gas flow by the cathode and the ammonia-containing gas flow over the anode, no applied potential was required to provide oxygen flow or electrical current. Thus, the cells produced electrical energy.

Элемент проявлял электрическое сопротивление, составляющее 1 Ом/см2 при температуре 800°С. Это сопротивление было достаточно низким для эксплуатации элемента в качестве топливного элемента. Электрический ток, составляющий 200 мА/см2, пропускали через элемент перед введением исходной смеси аммиака и аргона. Это было осуществлено, чтобы предотвратить восстановление анода до начала исследования. После этого вводили потоки смеси аммиака и аргона, и электрический ток через элемент регулировали, используя гальваностат.The cell exhibited an electrical resistance of 1 ohm/ cm2 at 800°C. This resistance was low enough to operate the cell as a fuel cell. An electrical current of 200 mA/ cm2 was passed through the cell before the initial ammonia-argon mixture was introduced. This was done to prevent reduction of the anode before the study began. The ammonia-argon mixture flows were then introduced and the electrical current through the cell was adjusted using a galvanostat.

РезультатыResults

Рассмотрим фиг. 6. Анод LSCF оказался способным производить NO с выходом вплоть до 77% при температуре 700°С и удельной мощности, составляющей 4 мВт/см2. Исследование элемента с платиновым композиционным анодом продемонстрировало высокую степень превращения аммиака, но очень низкую селективность по отношению к желательному продукту, представляющему собой NO, что было обусловлено крекингом аммиака на платиновом аноде. После приложения напряжения в целях получения плотности электрического тока, составляющей более чем приблизительно 55 мА/см2, только 15% прореагировавшего аммиака было превращено в оксид азота(II).Consider Fig. 6. The LSCF anode was capable of producing NO in yields as high as 77% at 700°C and a power density of 4 mW/ cm2 . A cell study with a platinum composite anode demonstrated high ammonia conversion but very low selectivity for the desired NO product due to cracking of the ammonia at the platinum anode. When a voltage was applied to obtain a current density greater than approximately 55 mA/ cm2 , only 15% of the converted ammonia was converted to nitric oxide.

ВыводConclusion

Эксплуатационные характеристики данного платинового анода при эксплуатации в режиме топливного элемента очевидным образом уступали характеристикам анода LSCF.The performance of this platinum anode in fuel cell mode was clearly inferior to that of the LSCF anode.

Claims (49)

1. Способ использования твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) для комбинированного производства электрической энергии и газового потока, содержащего оксид азота(II) (NO), включающий стадии, на которых:1. A method of using a solid oxide fuel cell (SOFC) for the combined production of electrical energy and a gas stream containing nitrogen(II) oxide (NO), comprising the steps of: a) обеспечивают твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), содержащий анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск; катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод и газовый впуск и газовый выпуск; и твердый электролит максимальной плотности, разделяющий катодное пространство и анодное пространство;(a) providing a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising an anode space comprising a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet; a cathode space comprising a solid gas-permeable cathode and a gas inlet and a gas outlet; and a solid electrolyte of maximum density separating the cathode space and the anode space; b) вводят кислородсодержащий газ во впуск катодного пространства твердооксидного топливного элемента;b) introducing an oxygen-containing gas into the inlet of the cathode space of the solid oxide fuel cell; c) вводят аммиаксодержащий газовый поток во впуск анодного пространства твердооксидного топливного элемента;c) introducing an ammonia-containing gas stream into the inlet of the anode space of the solid oxide fuel cell; d) собирают оксид азота(II) на выпуске анодного пространства, причем оксид азота(II) составляет по меньшей мере 10% по массе, предпочтительно от 10 до 80%, газового потока, содержащего NO, собранного на выпуске анодного пространства; иd) collecting nitrogen(II) oxide at the outlet of the anode space, wherein the nitrogen(II) oxide constitutes at least 10% by weight, preferably from 10 to 80%, of the gas stream containing NO collected at the outlet of the anode space; and e) собирают электрический ток, проходящий между анодным пространством и катодным пространством;e) collect the electric current passing between the anode space and the cathode space; причем способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 800°C, и при этом анод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой A выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; A' выбирают из группы, которую составляют Ca, Sr и Ba; B и B' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Co, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; x находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; y находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3, и при этом катод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой A выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; A' выбирают из группы, которую составляют Ca, Sr и Ba; B и B' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Co, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; x находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; y находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3.wherein the method is carried out at a temperature in the range from 500 to 800°C, and wherein the anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3, and wherein the cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , in which A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3. 2. Способ по п. 1, в котором температура находится в диапазоне от 700 до 750°C.2. The method according to claim 1, wherein the temperature is in the range from 700 to 750°C. 3. Способ по любому из пп. 1, 2, в котором анод и/или катод содержат композицию La0,60Sr0,40Co0,20Fe0,80O3.3. The method according to any one of claims 1, 2, wherein the anode and/or cathode contain the composition La 0.60 Sr 0.40 Co 0.20 Fe 0.80 O 3 . 4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором кислородсодержащий газ представляет собой воздух, пар, кислород или смесь азота и кислорода.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen-containing gas is air, steam, oxygen or a mixture of nitrogen and oxygen. 5. Способ по любому из пп. 1-4, причем способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 500 до 750°C, и при этом электролит представляет собой электролит на основе церия, причем предпочтительно электролит представляет собой Ce1-xGdxO2-δ, причем x находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the method is carried out at a temperature in the range from 500 to 750°C, and wherein the electrolyte is a cerium-based electrolyte, wherein the electrolyte is preferably Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein x is in the range from 0.1 to 0.2, and wherein δ is in the range from 0.05 to 0.1. 6. Способ по любому из пп. 1-4, причем способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 750 до 800°C, и при этом электролит представляет собой электролит на основе циркония, причем предпочтительно электролит представляет собой Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем M представляет собой Al, Yb, Ce, причем x находится в диапазоне от 0,03 до 0,2 и при этом y находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, и при этом δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06, и предпочтительно в котором электролит представляет собой самостоятельную мембрану толщиной от 50 до 200 мкм на катоде или аноде.6. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the method is carried out at a temperature in the range from 750 to 800°C, and wherein the electrolyte is a zirconium-based electrolyte, wherein the electrolyte is preferably Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , wherein M is Al, Yb, Ce, wherein x is in the range from 0.03 to 0.2 and wherein y is in the range from 0.001 to 0.01, and wherein δ is in the range from 0.01 to 0.06, and wherein the electrolyte is preferably an independent membrane with a thickness of 50 to 200 μm on the cathode or anode. 7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором кислородсодержащий газ, введенный во впуск катодного пространства на стадии (b), представляет собой пар, необязательно чередующийся с воздухом, и газообразный водород, необязательно чередующийся с обедненным кислородом воздухом, собирают на выпуске катода, и при этом предпочтительно обедненный кислородом воздух направляют в воздухоразделительную установку.7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen-containing gas introduced into the inlet of the cathode space in step (b) is steam, optionally alternating with air, and hydrogen gas, optionally alternating with oxygen-depleted air, is collected at the outlet of the cathode, and wherein preferably the oxygen-depleted air is sent to an air separation unit. 8. Твердооксидный топливный элемент для комбинированного производства электрической энергии и газового потока, содержащего оксид азота(II) (NO), где NO составляет по меньшей мере 10% по массе газового потока, содержащего NO, содержащий:8. A solid oxide fuel cell for the combined production of electrical energy and a gas stream containing nitrogen(II) oxide (NO), where NO constitutes at least 10% by weight of the gas stream containing NO, comprising: - анодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый анод, газовый впуск и газовый выпуск;- an anode space containing a solid gas-permeable anode, a gas inlet and a gas outlet; - источник газообразного аммиака в сообщении с возможностью переноса текучей среды с газовым впуском в анодном пространстве;- a source of gaseous ammonia in communication with the possibility of transferring the fluid medium with a gas inlet in the anode space; - катодное пространство, содержащее твердый газопроницаемый катод, газовый впуск и газовый выпуск;- a cathode space containing a solid gas-permeable cathode, a gas inlet and a gas outlet; - электролит максимальной плотности, разделяющий анодное пространство и катодное пространство и содержащий, в частности, композицию, выбранную из: (i) Ce1-xGdxO2-δ, причем x находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1, и (ii) Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем M представляет собой Al, Yb, Ce, причем x находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем y находится в диапазоне от 0,025 до 0,01, и при этом δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06;- an electrolyte of maximum density separating the anode space and the cathode space and containing, in particular, a composition selected from: (i) Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein x is in the range from 0.1 to 0.2, and wherein δ is in the range from 0.05 to 0.1, and (ii) Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , wherein M is Al, Yb, Ce, wherein x is in the range from 0.03 to 0.2, wherein y is in the range from 0.025 to 0.01, and wherein δ is in the range from 0.01 to 0.06; - приспособление для нагревания твердооксидного топливного элемента до температуры, находящейся в диапазоне от 550 до 800°C; и- a device for heating the solid oxide fuel element to a temperature in the range of 550 to 800°C; and - приспособление для сбора электрического тока, проходящего между анодным пространством и катодным пространством;- a device for collecting electric current passing between the anode space and the cathode space; причем анод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой A выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; A' выбирают из группы, которую составляют Ca, Sr и Ba; B и B' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Co, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; x находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; y находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3, и при этом катод содержит композицию A1-xA'xB1-yB'yO3-δ, в которой A выбирают из группы, которую составляют La, Y, Sm, Pr, Nd и Gd; A' выбирают из группы, которую составляют Ca, Sr и Ba; B и B' в каждом случае независимо выбирают из группы, которую составляют Co, Fe, Mn, Cr и V или их смеси; x находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 и, в частности, от 0,1 до 0,4; y находится в диапазоне от 0 до 1; и δ находится в диапазоне от 0,025 до 0,3.wherein the anode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3, and wherein the cathode comprises a composition A 1-x A' x B 1-y B' y O 3-δ , wherein A is selected from the group consisting of La, Y, Sm, Pr, Nd and Gd; A' is selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba; B and B' are in each case independently selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Cr and V or mixtures thereof; x is in the range from 0.05 to 0.6 and, in particular, from 0.1 to 0.4; y is in the range from 0 to 1; and δ is in the range from 0.025 to 0.3. 9. Твердооксидный топливный элемент по п. 8, в котором анод и/или катод содержат композицию La0,60Sr0,40Co0,20Fe0,80O3.9. A solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the anode and/or cathode comprise a composition of La 0.60 Sr 0.40 Co 0.20 Fe 0.80 O 3 . 10. Твердооксидный топливный элемент по любому из пп. 8, 9, в котором:10. A solid oxide fuel cell according to any one of paragraphs. 8, 9, in which: (i) композиция электролита представляет собой Ce1-xGdxO2-δ, причем x находится в диапазоне от 0,1 до 0,2, и при этом δ находится в диапазоне от 0,05 до 0,1, и при этом приспособление для нагревания элемента допускает нагревание до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 750°C, или (i) the electrolyte composition is Ce 1-x Gd x O 2-δ , wherein x is in the range of from 0.1 to 0.2, and wherein δ is in the range of from 0.05 to 0.1, and wherein the device for heating the element allows heating to a temperature in the range of from 500 to 750°C, or (ii) электролит представляет собой Zr1-(x+y)ScxMyO2-δ, причем M представляет собой Al, Yb, Ce, и при этом x находится в диапазоне от 0,03 до 0,2, причем y находится в диапазоне от 0,001 до 0,01, причем δ находится в диапазоне от 0,01 до 0,06, и при этом приспособление для нагревания элемента допускает нагревание до температуры, находящейся в диапазоне от 750 до 800°C.(ii) the electrolyte is Zr 1-(x+y) Sc x M y O 2-δ , wherein M is Al, Yb, Ce, and wherein x is in the range from 0.03 to 0.2, wherein y is in the range from 0.001 to 0.01, wherein δ is in the range from 0.01 to 0.06, and wherein the device for heating the element allows heating to a temperature in the range from 750 to 800°C. 11. Твердооксидный топливный элемент по любому из пп. 8-10, дополнительно содержащий приспособление для реакции оксида азота(II) в сообщении с возможностью переноса текучей среды с газовым выпуском анодного пространства.11. A solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 10, further comprising a device for reacting nitrogen(II) oxide in fluid communication with the gas outlet of the anode space. 12. Твердооксидный топливный элемент по п. 11, в котором приспособление для реакции оксида азота(II) представляет собой окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую вводят кислородсодержащий газ или которая содержит катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) окисляется, и образуются газообразные оксиды азота, в частности диоксид азота и тетраоксид диазота.12. A solid oxide fuel cell according to claim 11, wherein the device for reacting nitric oxide (II) is an oxidation section of a nitric acid production plant into which an oxygen-containing gas is introduced or which contains an ammonia oxidation catalyst, and in which nitric oxide (II) is oxidized and gaseous nitrogen oxides, in particular nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide, are formed. 13. Твердооксидный топливный элемент по п. 12, дополнительно содержащий колонну для абсорбции азотной кислоты, в которой газообразные оксиды азота, производимые в окислительной секции, абсорбируются водным раствором.13. The solid oxide fuel cell of claim 12, further comprising a nitric acid absorption column in which gaseous nitrogen oxides produced in the oxidation section are absorbed by an aqueous solution. 14. Твердооксидный топливный элемент по любому из пп. 8-13, в котором выпуск катода находится в сообщении с возможностью переноса текучей среды с воздухоразделительной установкой.14. A solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 13, wherein the cathode outlet is in fluid communication with the air separation unit. 15. Пакет твердооксидных топливных элементов для комбинированного производства электрической энергии и газового потока, содержащего оксид азота(II) (NO), где NO составляет по меньшей мере 10% по массе газового потока, содержащего NO, содержащий по меньшей мере два или более твердооксидных топливных элементов по любому из пп. 8-14.15. A stack of solid oxide fuel cells for the combined production of electrical energy and a gas stream containing nitrogen oxide (II) (NO), where NO is at least 10% by weight of the gas stream containing NO, comprising at least two or more solid oxide fuel cells according to any one of paragraphs. 8-14. 16. Система для производства азотной кислоты, содержащая:16. A system for producing nitric acid, comprising: - установку Габера-Боша, содержащую выпуск для доставки аммиака, производимого установкой;- a Haber-Bosch unit containing an outlet for the delivery of ammonia produced by the unit; - приспособление для нагревания аммиака, производимого установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°C, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания;- a device for heating ammonia produced by a Haber-Bosch plant to a temperature in the range of 500 to 800°C, so that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the heating device; - пакет твердооксидных топливных элементов по п. 15, в котором впуски анодных пространств элементов находятся в сообщении с возможностью переноса текучей среды с выпуском приспособления для нагревания;- a stack of solid oxide fuel cells according to claim 15, in which the inlets of the anode spaces of the cells are in fluid communication with the outlet of the heating device; - приспособление для переноса оксида азота(II) (NO), поступающего на выпусках анодных пространств элементов пакета, в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ или которая содержит катализатор окисления аммиака, и в которой оксид азота(II) окисляется до газообразных оксидов азота, в частности, диоксида азота и тетраоксида диазота; и- a device for transferring nitrogen oxide (II) (NO), entering at the outlets of the anode spaces of the stack elements, to the oxidation section of the nitric acid production plant, into which oxygen-containing gas enters or which contains an ammonia oxidation catalyst, and in which nitrogen oxide (II) is oxidized to gaseous nitrogen oxides, in particular nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide; and - приспособление для переноса газообразных оксидов азота в колонну для абсорбции азотной кислоты, в которой газообразные оксиды азота абсорбируются водным раствором, и в результате этого производится азотная кислота.- a device for transferring gaseous nitrogen oxides to a nitric acid absorption column in which the gaseous nitrogen oxides are absorbed by an aqueous solution, resulting in the production of nitric acid. 17. Способ производства азотной кислоты, включающий последовательные стадии, на которых:17. A method for producing nitric acid, comprising successive stages in which: a) производят аммиак в установке Габера-Боша;a) produce ammonia in a Haber-Bosch plant; b) собирают производимый аммиак на выпуске установки Габера-Боша;b) collect the produced ammonia at the outlet of the Haber-Bosch unit; c) нагревают аммиак, производимый установкой Габера-Боша, до температуры, находящейся в диапазоне от 500 до 800°C, таким образом, что аммиак собирается в газообразном состоянии на выпуске приспособления для нагревания;c) heating the ammonia produced by the Haber-Bosch unit to a temperature in the range of 500 to 800°C so that the ammonia is collected in a gaseous state at the outlet of the heating device; d) переносят аммиак во впуски анодных пространств элементов пакета твердооксидных топливных элементов по п. 15;d) transferring ammonia into the inlets of the anode spaces of the elements of the solid oxide fuel cell stack according to paragraph 15; e) производят оксид азота(II) с применением способа по любому из пп. 1-7;e) producing nitrogen(II) oxide using the method according to any one of paragraphs 1-7; f) собирают производимый оксид азота(II) (NO) на выпусках анодных пространств элементов пакета;f) collect the produced nitrogen(II) oxide (NO) at the outlets of the anode spaces of the stack elements; g) переносят производимый оксид азота(II) в окислительную секцию установки для производства азотной кислоты, в которую поступает кислородсодержащий газ или которая содержит катализатор окисления аммиака;g) transferring the produced nitrogen(II) oxide to the oxidation section of a nitric acid production plant, which is supplied with oxygen-containing gas or which contains an ammonia oxidation catalyst; h) окисляют оксид азота(II) с получением газообразных оксидов азота, в частности диоксида азота и тетраоксида диазота;h) oxidize nitrogen(II) oxide to produce gaseous nitrogen oxides, in particular nitrogen dioxide and dinitrogen tetroxide; i) переносят газообразные оксиды азота в абсорбционную секцию установки для производства азотной кислоты; иi) transfer gaseous nitrogen oxides to the absorption section of the nitric acid production plant; and j) абсорбируют газообразные оксиды азота водным раствором для производства азотной кислоты.j) absorb gaseous nitrogen oxides in an aqueous solution to produce nitric acid. 18. Применение твердооксидного топливного элемента по любому из пп. 8-14 для комбинированного производства электрической энергии и газового потока, содержащего NO, где NO составляет по меньшей мере 10% по массе газового потока, содержащего NO.18. Use of a solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 14 for the combined production of electrical energy and a gas stream containing NO, where NO constitutes at least 10% by weight of the gas stream containing NO. 19. Применение пакета твердооксидных топливных элементов по п. 15 для комбинированного производства электрической энергии и газового потока, содержащего NO, где NO составляет по меньшей мере 10% по массе газового потока, содержащего NO.19. Use of a solid oxide fuel cell stack according to claim 15 for the combined production of electrical energy and a gas stream containing NO, where NO constitutes at least 10% by weight of the gas stream containing NO.
RU2023102678A 2020-07-07 2021-07-07 Method of operating solid oxide fuel cell (sofc) for combined production of electrical energy and nitrogen (ii) oxide RU2836840C1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20184486.7 2020-07-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2836840C1 true RU2836840C1 (en) 2025-03-24

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160079623A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-17 Korea Institute Of Industrial Technology Method for preparing solid electrolyte for solid oxide fuel cell, and method for preparing unit cell
US20170062855A1 (en) * 2015-08-27 2017-03-02 Kceracell Co., Ltd. Ceria electrolyte for low-temperature sintering and solid oxide fuel cell using the same
US20170062885A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-02 General Electric Company Cooling for battery units in energy storage system
RU2615873C1 (en) * 2014-06-04 2017-04-11 Эмек Фостер Вилер Энергия Ой System and method for feeding ammonium containing fluid into incinerator exhaust gas duct
JP2017082670A (en) * 2015-10-28 2017-05-18 株式会社Kri Engine system and method for operating engine system
JP2017199668A (en) * 2016-04-25 2017-11-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 Battery, and battery manufacturing method
JP6623030B2 (en) * 2015-10-28 2019-12-18 株式会社Kri Solid oxide fuel cell system
CN111706431A (en) * 2020-06-16 2020-09-25 山东晟卓信息技术有限公司 SOFC power and cooling combined supply system based on external reforming

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160079623A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-17 Korea Institute Of Industrial Technology Method for preparing solid electrolyte for solid oxide fuel cell, and method for preparing unit cell
RU2615873C1 (en) * 2014-06-04 2017-04-11 Эмек Фостер Вилер Энергия Ой System and method for feeding ammonium containing fluid into incinerator exhaust gas duct
US20170062855A1 (en) * 2015-08-27 2017-03-02 Kceracell Co., Ltd. Ceria electrolyte for low-temperature sintering and solid oxide fuel cell using the same
US20170062885A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-02 General Electric Company Cooling for battery units in energy storage system
JP2017082670A (en) * 2015-10-28 2017-05-18 株式会社Kri Engine system and method for operating engine system
JP6623030B2 (en) * 2015-10-28 2019-12-18 株式会社Kri Solid oxide fuel cell system
JP2017199668A (en) * 2016-04-25 2017-11-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 Battery, and battery manufacturing method
CN111706431A (en) * 2020-06-16 2020-09-25 山东晟卓信息技术有限公司 SOFC power and cooling combined supply system based on external reforming

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khan et al. Flat-tubular solid oxide fuel cells and stacks: a review
US9118052B2 (en) Integrated natural gas powered SOFC systems
DK1532710T3 (en) PEROVSKIT-BASED FUEL CELL ELECTRODE AND MEMBRANE
CN101295791B (en) A ternary composite cathode material for medium and low temperature solid oxide fuel cells
US20230193486A1 (en) Systems and methods for generating synthesis gas for ammonia production
Joshi et al. Solid electrolyte materials, devices, and applications
US20230226486A1 (en) Methods for carbon dioxide capture and related systems
Turco et al. Fuel cells operating and structural features of MCFCs and SOFCs
Chuang Catalysis of solid oxide fuel cells
Liu et al. Status and prospects of intermediate temperature soid oxide fuel cells
CN115868047B (en) Methods of operating SOFC to jointly produce electricity and nitric oxide
Almar et al. Protonic ceramic electrolysis cells (PCECs)
RU2836840C1 (en) Method of operating solid oxide fuel cell (sofc) for combined production of electrical energy and nitrogen (ii) oxide
Yusenko et al. Performance of single-chamber solid oxide fuel cells based on Ni and Ni–Cu alloy anodes and fed with a methane–air mixture
KR102532916B1 (en) An oxygen separation membrane, apparatus for separaing gas and a method of producing hydrogen using thereof
Ruiz-Morales et al. Materials for symmetrical solid oxide fuel cells
Marimuthu et al. Ceramics for solid oxide fuel cells
Sun et al. Solid Oxide Water Electrolysis
Wang et al. 13 CO₂ Electrolysis in Solid
Corre et al. High temperature fuel cell technology
Jafari et al. High temperature electrochemical production of hydrogen using membranes
WO2024204595A1 (en) Steam electrolysis device and steam electrolysis method
Bian 3D Engineered Electrodes for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell
KR20150010156A (en) Flat-type solid oxide fuel cell with multi-cell structure and manufacturing method thereof
Sındıraç Investigation of the Formation of La1-xSrxC1-yFeyO3-d Cathode Materials and Their Interaction with Electrolyte Substrates for Potential It-Sofc Applications