Способ получения электрической энергии

Изобретение относится к области энергетики, в частности к топливным элементам. Преимущественное применение разработки - получение электроэнергии при производстве химических продуктов, а также в процессе переработки различных отходов и при попутном производстве химических продуктов в процессе выработки электроэнергии. Технический эффект - снижение энергозатрат в процессах очистки сточных вод, получение новых ценных химических товаров. Согласно изобретению двухкамерная электрохимическая ячейка снабжена графитовыми электродами, пористой мембраной и электролитом. В анодную камеру подают попутный газ, в катодную камеру через барботер - воздух. В катодную и анодную камеры помещают вспомогательные электроды, соединенные между собой диэлектрической осью из ударопрочного полистирола. Анод оснащен лопастями. Электролит из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит, находящиеся в ионообменном фильтре. Выработка электроэнергии производится из сточных вод. 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, в частности к топливным элементам. Преимущественное применение разработки - получение электроэнергии при производстве химических продуктов, а также в процессе переработки различных отходов и/или при попутном производстве химических продуктов в процессе выработки электроэнергии.

Существующие топливные элементы применяют для выработки электроэнергии там, где необходимы большие количества электричества, полученные с высоким коэффициентом полезного действия. В качестве топлива чаще всего используют водород как энергоноситель с максимальной удельной энергией окисления. В качестве окислителя используют кислород.

Известен способ получения электрической энергии от природного источника электричества /Патент РФ №2124822, H05F 7/00, Н01М 8/22 1999 г./. В качестве природного источника используют электрический потенциал, имеющийся на контакте с графитосодержащими породами, при этом создают сеть положительных и отрицательных выводов из заземленных на участке, где присутствуют графитосодержащие. Над приводным источником электричества, образовавшимся за счет электрохимических процессов на контакте с графитосодержащими поводами, создают сеть положительных и отрицательных выводов из заземленных металлических электродов, которые затем подключают к потенциалсуммирующим устройствам, позволяющим увеличить напряжение от природного источника до уровня, необходимого для потребителя.

Известен способ получения электрической энергии /Заявка WO 91/04587, Н01М 8/10, 1991 г./, при котором образуют электродную пару из сплошного положительного электрода с селективным катализатором восстановления окислителя и газопроницаемого отрицательного электрода с селективным катализатором окисления топлива, электроды разделяют проницаемым для газа слоем оксида, обладающего ионной проводимостью, и подают гомогенную смесь окислительного и восстановительного газов к отрицательному электроду.

Ближайшим аналогом является способ получения электрической энергии /Патент РФ №2079934, Н01М 8/10, Н01М 14/00 1997 г./, при котором образуют пару из положительного и отрицательного электродов, подают в нее гомогенную газовую смесь, состоящую из окислительного и восстановительного реагентов и отводят продукты реакции от одного из электродов, электроды разделяют полупроводниковым материалом с дырочной проводимостью, а подачу гомогенной газовой смеси осуществляют в зону контакта поверхности полупроводника только с отрицательным электродом.

Недостатком известных способов является невозможность использования бросовых источников химической энергии, низкая эффективность использования химической энергии энергоносителей.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего использовать бросовые источники химической энергии при повышении эффективности использования химической энергии энергоносителей путем попутного преобразования энергетического сырья в полезные химические продукты.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения электрической энергии, при котором образуют электродную пару из положительного электрода и отрицательного электрода, подают в нее окислительный и восстановительный реагенты, которые формируют свободные радикалы, ускоряющие химические реакции на основных электродах, путем размещения вспомогательных электродов, на которые подают импульсы с напряжением, не меньшим напряжения выхода электрона из электрода, с частотой, равной или кратной резонансной частоте электролита, с силой тока, достаточной для формирования радикалов в количестве 1 радикал на 3-1000 молекул окислителя или восстановителя, и/или путем подачи веществ-инициаторов, образующих при распаде свободные радикалы, и/или в материал электродов вводят вещества, ускоряющие распад инициаторов.

Электродную пару помещают в ячейку с электролитом, разделенную на катодную и анодную камеры мембраной, состоящей из жидкого электролита, отвержденного гелеобразователем

Для ускорения диффузионных процессов хотя бы один из электродов приводят во вращательное движение или приводят в колебательное движение с интенсивностью, обеспечивающей принудительную диффузию со скоростью, равной или большей скорости электрохимической реакции, с ускорением, не меньшим 0,001 м/с².

Для повышения стабильности напряжения, снимаемого с топливного элемента, электролит из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит с линейной скоростью не более 30 м/ч, продукт электродной реакции абсорбируют или адсорбируют.

Дополнительно вводят катализатор электрохимических процессов, представляющий собой фторорганическое соединение, обладающее свойствами поверхностно-активного вещества в концентрации, превышающей критическую концентрацию мицеллообразования.

Для ускорения формирования радикалов электродные камеры облучают электромагнитным облучением с интенсивностью и частотой, достаточной для распада инициатора на свободные радикалы.

Один или оба электрода делают пористыми, а поры заполняют электролитом с гелеобразователем, имеющим в своем составе вещество, избирательно сорбирующее окислитель или восстановитель, а также катализатор для его окисления или восстановления.

Анод из элементарной серы расплавляют и нагревают до температуры перехода серы в пластическую серу, графитового катода, расплава-электролита из эвтектической смеси сульфида натрия, сульфида калия, сульфида лития и/или мочевины, серной кислоты, на графитовый катод подают кислород воздуха, на серный анод - сероводород, а пары воды конденсируют и удаляют.

Для повышения проводимости и скорости реакции при получении элекроэнергии из сероводорода анод частично или полностью изготавливают из сульфида азота, а процесс ведут при температуре не выше температуры разложения сульфида азота.

Для очистки природного газа от сероводорода газ подают на анод, метан очищают реакцией в топливном элементе, после конденсации воды метан отводят для дальнейшего использования.

Катод для топливного элемента изготавливают из сплава, содержащего свинец, как компонент, образующий окислитель (двуокись свинца), компонент, образующий катализатор - ванадий, марганец, кобальт (окислы соответствующих металлов), компонент, катализирующий туннельный перенос электрона (с электроноакцепторными свойствами) из ряда серебро, медь, а процесс ведут при температуре выше точки плавления, но ниже температуры испарения катода.

В качестве электролита используют расплав солей, в качестве катода - тугоплавкий проводящий материал, преимущественно природного происхождения, в частности магнетит, пиролюзит, в качестве анода - расплав металла, в качестве топлива - отходы, в качестве окислителя - кислород воздуха, а процесс ведут при температуре не ниже температуры плавления металла.

Для очистки топочных газов от окислов азота и серы в топливном элементе в качестве электродов используют проводящий сорбирующий материал, преимущественно графит, магнетит и/или жидкий электрод из металла, находящегося в жидком состоянии, восстановитель используют из ряда, включающего метан, водород, сероводород, аммиак, топочные газы перед подачей в топливный элемент очищают от пыли, а после реакции топочные газы отводят в атмосферу.

Для увеличения поверхности раздела фаз жидкий электрод помещают на пористую поверхность из смачиваемого металлом материала.

В качестве электролита для топливного элемента используют легкоплавкую смесь, полученную путем растворения в расплаве мочевины, гуанидина или сорбита полимера из ряда: белок, полипептид, полиамид, крахмал, декстрин, порфиринов.

Для прианодного или прикатодного электролита в композицию дополнительно вводят в растворенном виде вещество, абсорбирующее восстановитель или окислитель, например для водорода - метиленовый голубой, для кислорода - геминсодержащие вещества, для угарного, водяного и синтез-газа - соли меди, кобальта, железа.

В зоне реакции дополнительно создают свободные радикалы путем наложения ультразвуковых или ударных волн, высоковольтных разрядов или введением радиоактивных веществ.

Для интенсификации преобразования химической энергии в электрическую обычно используют высокие температуры, давления, применяют катализаторы или электродные материалы, состоящие частично или полностью из благородных металлов. В нашем изобретении для решения этой задачи используют: интенсификацию радикальных процессов (применение вспомогательного электрода для инжекции электронов в прикатодное пространство), большие площади поверхности электродов (засыпной электрод), электромагнитное и радиоактивное облучение приэлектродной области, а свободные радикалы поглощаются поверхностью электродов, окисление ведут по кратчайшему химическому пути, до первого производного соединения (что дает возможность повысить скорость процесса, но снижает эдс), снижают диффузионные ограничения за счет приведения электродов в ускорение относительно жидкости (затрачивая механическую энергию на этот процесс).

За счет этих технических решений увеличивается эффективность использования химической энергии сырья или отходов путем производства ценного сырья с попутным получением электроэнергии.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, изображенного в разрезе на чертеже.

Проточная электрохимическая ячейка для проведения реакции состоит из катодной 1 и анодной 2 камер, пористой мембраны 3 между ними, помещенную в камеру, двух дисковых графитовых электродов - катода 4 с токоподводом 5 и анода 6 с токоподводом 7, в катодную и анодную камеры помещают вспомогательные электроды 8, соединенные между собой диэлектрической осью из ударопрочного полистирола. Мембрана состоит из жидкого электролита, отвержденного гелеобразователем. Камеру мембраны предварительно заполняют электролитом с гелеобразователем, а затем электролит превращают в гель. Анод оснащен лопастями. В ячейку помещают электролит. В качестве электролита возможно использование сточной воды. В катодную камеру через барботер 9 и патрубок 10 подают воздух. Электролит из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит, находящиеся в ионообменном фильтре 11. Выработка электроэнергии производится из сточных вод, подаваемых в ячейку через патрубок 12. Или же через этот патрубок подают попутный газ. Продукты окисления выводятся через патрубок 13, а азот - через патрубок 14.

Пример 1.

В электролизную ячейку (в анодную камеру), снабженную двумя графитовыми электродами, барботером в прикатодной области, компрессором и пористой мембраной, помещают сточную воду дрожжевого производства с концентрацией ХПК 1200 мг/л, солесодержанием 300 мг/л. Подают воздух (окислитель) на катод. В контакте с анодом находится сточная вода (восстановитель). На электродах возникает напряжение 0,160 В. Снимают с электродов площадью 1 кв.дм ток в 50 мА. В процессе обработки ХПК снижается за 1 час на 20 мг/л. Происходит очистка сточных вод попутной выработкой электроэнергии в количестве 8 мВт.

Пример 2.

В ячейку по примеру 1 дополнительно помещают вспомогательный электрод в прикатодное пространство, подают на него потенциал 1000 В, интенсивностью 1 мкА, длительностью импульсов 1 мкс, с частотой 50 Гц. Выработка энергии со сточных вод дрожжевого производства увеличивается до 234 мА. Скорость снижения ХПК увеличилась до 113 мг/л в час. Продукт реакции - карбоновые кислоты, в частности винная и пировиноградная кислота, обнаруживаемая методом жидкостной хроматографии со скоростью накопления 271 мг/л в час. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 37 мВт.

Пример 3.

В анодную камеру электрохимической ячейки объемом 300 куб. см, содержащую неподвижный пористый графитовый засыпной электрод, вращающийся графитовый электрод площадью 1 кв. дм, пористую мембрану, барботер, помещают сточную воду молочного производства с ХПК 5714 мг/л. При приведении во вращательное движение дискового графитового электрода со скоростью 20-30 об./с и подаче воздуха на засыпной электрод скорость окисления по ХПК составила 97 мг/л в час, выработка тока 300 мА, с потенциалом 0,15 В. Продукт реакции - пировиноградная кислота. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 45 мВт.

Пример 4.

В электролизную ячейку по примеру 1 в прианодную область помещают сточную воду ванны травления Иркутского релейного завода с концентрацией железа (восстановитель) в-2 1700 мг/л с рН 1,4. В прикатодную область помещают сточную воду ванны хромирования с концентрацией хрома-6 339 мг/л, рН=2 (окислитель). На электродах возникает потенциал 0,91 В, снимаемый ток - 300 мА. Скорость реакции окисления солей железа 347 мг/л в час. Продукт реакции - раствор, содержащий хром-3 и железо-3, предназначенный для эффективного осаждения и очистки на существующей станции нейтрализации. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 0,271 Вт.

Пример 5.

По примеру 1, но дополнительно под электролизер помещают источник рентгеновского излучения мощностью 6 Вт. Снимаемый ток увеличивается на 217 мА.

Пример 6.

В напорную двухкамерную электрохимическую ячейку объемом 2 л, снабженную графитовыми электродами и пористой мембраной, помещают электролит, состоящий из 10%-ного водного раствора кальцинированной соды. В катодную камеру через барботер подают попутный газ с содержанием сероводорода 0,5% об. под давлением 0,5 атм. В анодную камеру - воздух под давлением 0,5 атм. Сероводород из попутного газа окисляется до элементарной серы, на выходе из ячейки его не более 0,1%. Газ очищается от сероводорода и может быть использован как энергоноситель. На электродах потенциал 0,37 В, ток 117 мА. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 43 мВт.

Пример 7.

Проточная электрохимическая ячейка для проведения реакции состоит из катодной и анодной камер, пористой мембраны между ними, двух дисковых графитовых электродов, соединенных между собой диэлектрической осью из ударопрочного полистирола. Катод оснащен лопастями. На анод покапельно подают сточную воду пивоваренного производства (восстановитель) с концентрацией 234 мг/л с подачей 1 мл в минуту. Под действием воды анод вращается со скоростью 1 оборот за 5 минут, приводя во вращение катод. Катод, проходя через слой воздуха, насыщается кислородом (окислитель). Разница потенциалов между электродами 0,12 В, ток 43 мА. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 5,2 мВт.

Пример 8.

По примеру 1, но в сточную воду дополнительно вводят персульфат аммония (источник свободных радикалов) в количестве 10 мг/л. Снимают с электродов ток 175 мА. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 28 мВт.

Пример 9.

По примеру 3, но дополнительно осуществляют циркуляцию сточной воды от элекрохимической ячейки к ионообменной колонке с 10 см³ анионита АВ-17-8 в ОН-форме и обратно перистальтическим насосом. Скорость окисления по ХПК составила 118 мг/л в час, выработка тока 312 мА, с потенциалом 0,3 В. Продукт реакции - пировиноградная кислота. Разница потенциалов стабильна и не меняется после 12 часов работы ячейки. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 94 мВт.

Пример 10.

По примеру 9, но дополнительно вводят перфторстеарат калия в количестве 1 мг/л. Съем тока увеличился до 201 мА. При этом вырабатывается электроэнергия в количестве 42 мВт.

Ожидаемый результат - снижение энергозатрат в процессах очистки сточных вод, а также в химической, нефтехимической, пищевой и перерабатывающей промышленности, машиностроении, получение новых ценных химических товаров (пировиноградной, молочной и щавелевой кислоты и т.п.).

1. Способ получения электрической энергии, при котором образуют электродную пару из положительного электрода и отрицательного электрода, подают в нее окислительный и восстановительный реагенты, отличающийся тем, что формируют свободные радикалы, ускоряющие химические реакции на основных электродах, путем размещения вспомогательных электродов, на которые подают импульсы с напряжением, не меньшим напряжения выхода электрона из электрода, с частотой, равной или кратной резонансной частоте электролита, с силой тока, достаточной для формирования радикалов в количестве, не большем, чем 1 радикал на 3÷1000 молекул окислителя или восстановителя, и/или путем подачи веществ-инициаторов, образующих при распаде свободные радикалы и/или в материал электродов вводят вещества, ускоряющие распад инициаторов.

2. Способ п.1, отличающийся тем, что электродную пару помещают в ячейку с электролитом, разделенную на катодную и анодную камеры мембраной, состоящей из жидкого электролита отвержденного гелеобразователем

3. Способ п.1, отличающийся тем, что хотя бы один из электродов приводят во вращательное движение или приводят в колебательное движение с интенсивностью, обеспечивающей принудительную диффузию со скоростью, равной или большей скорости электрохимической реакции с ускорением, не меньшим 0,001 м/с².

4. Способ п.1, отличающийся тем, что электролит, помещенный в ячейке, из приэлектродного пространства пропускают через сорбент или ионит с линейной скоростью не более 30 м/ч, продукт электродной реакции абсорбируют или адсорбируют.

5. Способ п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят катализатор электрохимических процессов, представляющий собой фторорганическое соединение, обладающее свойствами поверхностно-активного вещества в концентрации, превышающей критическую концентрацию мицеллообразования.

6. Способ п.1, отличающийся тем, что облучают электромагнитным облучением с интенсивностью и частотой достаточной для распада инициатора на свободные радикалы.

7. Способ п.1, отличающийся тем, что один или оба электрода делают пористыми, а поры заполняют электролитом с гелеобразователем, имеющим в своем составе вещество, избирательно сорбирующее окислитель или восстановитель, а также катализатор для его окисления или восстановления.

8. Способ п.1, отличающийся тем, что анод из элементарной серы расплавляют и нагревают до температуры перехода серы в пластическую серу, графитовый катод, расплав-электролита из эвтектической смеси сульфида натрия, сульфида калия, сульфида лития и/или мочевины, серной кислоты, на графитовый катод подают кислород воздуха, на серный анод-сероводород, а пары воды конденсируют и удаляют.

9. Способ п.1, отличающийся тем, что анод частично или полностью изготавливают из сульфида азота, а процесс ведут не выше температуры разложения сульфида азота.

10. Способ п.1, отличающийся тем, что газ подают на анод, метан очищают реакцией в топливном элементе, после конденсации воды метан отводят для дальнейшего использования.

11. Способ п.1, отличающийся тем, что катод для топливного элемента изготавливают из сплава, содержащего свинец, как компонент, образующий окислитель (двуокись свинца), компонент, образующий катализатор - ванадий, марганец, кобальт (окислы соответствующих металлов), компонент, катализирующий туннельный перенос электрона (с электроноакцепторными свойствами) из ряда: серебро, медь, а процесс ведут при температуре выше точки плавления, но ниже температуры испарения катода.

12. Способ п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используют расплав солей, в качестве катода тугоплавкий проводящий материал, преимущественно природного происхождения, в частности магнетит, пиролюзит, в качестве анода - расплав металла, в качестве топлива - отходы, в качестве окислителя - кислород воздуха, а процесс ведут при температуре не ниже температуры плавления металла.

13. Способ п.1, отличающийся тем, что в качестве электродов используют проводящий сорбирующий материал, преимущественно графит, магнетит и/или жидкий электрод из металла, находящегося в жидком состоянии, восстановитель используют из ряда, включающего метан, водород, сероводород, аммиак, топочные газы перед подачей в топливный элемент очищают от пыли, а после реакции топочные газы отводят в атмосферу.

14. Способ п.1, отличающийся тем, что жидкий электрод помещают на пористую поверхность из смачиваемого металлом материала.

15. Способ п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита для топливного элемента, используют легкоплавкую смесь, полученную путем растворения в расплаве мочевины, гуанидина или сорбита полимера из ряда: белок, полипептид, полиамид, крахмал, декстрин, полипорфиринов.

16. Способ п.1, отличающийся тем, что для прианодного или прикатодного электролита в композицию дополнительно вводят в растворенном виде вещество, абсорбирующее восстановитель или окислитель, например для водорода метиленовый голубой, для кислорода гемин-содержащие вещества, для угарного, водяного и синтез-газа - соли меди, кобальта, железа.

17. Способ п.1, отличающийся тем, что в зоне реакции дополнительно создают свободные радикалы путем наложения ультразвуковых или ударных волн, высоковольтных разрядов или введением радиоактивных веществ.