Устройство очистки воздуха для топливного элемента от углекислого газа

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов, в частности к способам и устройствам для очистки воздуха, потребляемого в топливном элементе, от двуокиси углерода. Сущность изобретения: устройство содержит один или несколько газодиффузионных катодов, через которые проходит очищаемый воздух, один или несколько газодиффузионных анодов, через которые проходит продувочный газ, и электролит, расположенный между парами электродов, а электролит содержит соль угольной кислоты. В качестве устройства очистки может быть применена как новая, так и потерявшая активность батарея топливных элементов с циркулирующим электролитом. Техническим результатом является обеспечение возможности непрерывной очистки потока воздуха от углекислого газа при невысоком аэродинамическом сопротивлении устройства и небольших затратах энергии на очистку, а также обеспечение возможности применения в качестве устройства очистки воздуха устройства, конструктивно совпадающего с топливным элементом. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов, в частности к способам и устройствам для очистки воздуха, потребляемого в топливном элементе, от двуокиси углерода.

Применение воздуха в качестве кислородсодержащего газа для некоторых типов топливных элементов затруднено из-за содержащегося в атмосферном воздухе небольшого количества углекислого газа. В частности, топливные элементы с циркулирующим щелочным электролитом требуют тщательной очистки подаваемого в них воздуха от углекислого газа.

Известно устройство очистки воздуха для топливного элемента от углекислого газа, содержащее адсорберы, заполненные сорбентом углекислого газа, который подвергается периодической регенерации нагретым воздухом.

Недостатком данного устройства является периодичный режим работы устройства, сложная система переключателей газовых потоков, значительное аэродинамическое сопротивление адсорберов и большие затраты энергии на регенерацию сорбента.

(патент РФ № 2229759 «Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления» З.Р.Каричев, Д.А.Блатов, С.И.Симаненков, 27.05.2004).

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности непрерывной очистки потока воздуха от углекислого газа при невысоком аэродинамическом сопротивлении устройства и небольших затратах энергии на очистку. Техническим результатом также является обеспечение возможности применения в качестве устройства очистки воздуха устройства, конструктивно совпадающего с, топливным элементом.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит один или несколько газодиффузионных катодов, через которые проходит очищаемый воздух, один или несколько газодиффузионных анодов, через которые проходит продувочный газ, и электролит, расположенный между парами электродов, а электролит содержит соль угольной кислоты. Предпочтительно в качестве электролита применен водный раствор гидрокарбоната калия. Предпочтительно электролит содержит вещество, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне. В качестве такого электролита может быть применен водный раствор смеси n-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия. В качестве продувочного газа предпочтительно применен атмосферный воздух. Предпочтительно в продувочный газ добавляют водород.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

В подаваемом в топливный элемент воздухе может быть снижено содержание углекислого газа до уровня, требуемого технологическими регламентами эксплуатации элемента.

Применение в качестве электролита водного раствора смеси n-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия позволит снизить затраты электрической мощности на очистку воздуха от углекислого газа.

Добавление в продувочный газ водорода позволит снизить затраты электрической мощности на очистку воздуха от углекислого газа.

В качестве устройства очистки может быть применена батарея топливных элементов с циркулирующим электролитом как новая, так и потерявшая активность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана конструкция единичной электролитической ячейки устройства.

Ячейка содержит пористый токосъемник 1, пористый катод 2, пористую асбестовую матрицу 3, пропитанную раствором или расплавом электролита, пористый анод 4 и пористый токосъемник 5.

Работа устройства осуществлена следующим образом.

В пористый токосъемник 1 устройства подают подлежащий очистке атмосферный воздух. В пористый токосъемник 5 подают продувочный атмосферный воздух. Проходя сквозь пористые токосъемники, воздух контактирует с электродами 2 и 4, смоченными электролитом, содержащимся в асбестовой матрице 3.

При подаче на электроды электрического напряжения в катодной зоне будут протекать реакции

O2+2Н2O+4CO2+4е→4НСО3-

O2+2CO2+4е→2СО32-

В анодной зоне будут протекать реакции

4НСО3--4е→O2+2Н2O+4СО2

2CO32--4e→O2+2CO2

В результате данных реакций в катодной зоне будет происходить снижение концентрации кислорода и углекислого газа в протекающем сквозь пористый токосъемник 1 воздухе, причем снижение концентрации углекислого газа в абсолютных величинах будет осуществляться в 2-4 раза интенсивнее, чем снижение содержания кислорода. Воздух из токосъемника 1 с пониженной концентрацией кислорода и углекислого газа подается на питание топливного элемента. Образовавшиеся на пористом катоде 2 карбонат- и гидрокарбонат-ионы будут диффундировать сквозь слой электролита к пористому аноду 4, на поверхности которого будет происходить выделение кислорода и углекислого газа. Выделившиеся в анодной зоне кислород и углекислый газ смешиваются с протекающем сквозь пористый токосъемник 5 атмосферным воздухом и вместе с ним удаляются из устройства. Иными словами, под действием электрического тока кислород и углекислый газ из атмосферы катодной зоны «перекачиваются» сквозь слой электролита в атмосферу анодной зоны, причем в количественном отношении углекислого газа будет «перекачиваться» в два - четыре раза больше, чем кислорода.

Напряжение, требуемое для работы данного устройства, относительно велико вследствие перенапряжения выделения кислорода на аноде. Для снижения затрат электрической мощности в продувочный воздух, подаваемый в пористый токосъемник 5, добавляют небольшие количества водорода, удаляемого с продувочными газами из топливного элемента. При этом на аноде 4 будут осуществляться дополнительные реакции, сопровождающиеся выделением энергии:

Н2+2НСО3--2е→2Н2О+2СО2

Н2+СО32--2е→Н2O+CO2

В результате данных реакций потребляемое устройством очистки напряжение снижается вплоть до генерации электрической энергии.

Затраты электрической мощности можно снизить также путем добавления в электролит вещества, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне одновременно. В частности, таким веществом может быть хингидрон-эквимолярная смесь n-бензохинона и гидрохинона.

В этом случае, при подаче на электроды электрического напряжения, в катодной зоне будет протекать реакция

С6Н4O2+2Н2O+2CO2+2е→С6Н4(ОН)2+2НСО3-

В анодной зоне будет протекать реакция

С6Н4(ОН)2+2НСО3--2е→С6Н4O2+2Н2O+2CO2

Гидрохинон, образующийся в катодной зоне, за счет диффузии сквозь слой электролита будет возвращаться в анодную зону, а n-бензохинон, образующийся в анодной зоне, за счет диффузии будет возвращаться в катодную зону. Данные реакции отличаются пониженной разностью электрохимических потенциалов, в результате чего перенос углекислого газа из катодной зоны в анодную осуществляется при небольшом рабочем напряжении.

1. Устройство очистки воздуха для топливного элемента от углекислого газа, отличающееся тем, что устройство содержит один или несколько газодиффузионных катодов, через которые проходит очищаемый воздух, один или несколько газодиффузионных анодов, через которые проходит продувочный газ, и электролит, расположенный между парами электродов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электролит содержит соль угольной кислоты.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве электролита применен водный раствор гидрокарбоната калия.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электролит содержит вещество, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве электролита применен водный раствор смеси n-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве продувочного газа применен атмосферный воздух.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что продувочный газ содержит водород.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов, в частности к способам и устройствам для очистки синтез-газа, получаемого паровой конверсией метанола или углеводородов и содержащего потребляемый в топливном элементе водород, от двуокиси углерода.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системе топливного элемента. .

Изобретение относится к аккумуляторным батареям на основе железа. .

Изобретение относится к области малой электроэнергетике, в которой используются природные источники электричества и может быть применено при строительстве экологически чистых природных электростанций для электропитания небольших промышленных объектов и населенных пунктов.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим теллурическую энергию земной коры в электрический ток

Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты и катализаторы внутреннего риформинга

Изобретение относится к определенным актуальным областям нанотехнологий (В82В 3/00 - изготовление или обработка наноструктур), технической физики и водородной энергетики

Изобретение относится к литий-воздушному аккумулятору, состоящему из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом. Аккумулятор характеризуется тем, что токосъемник катода покрыт восстановленным оксидом графита с соотношением углерода к кислороду от 5 до 10, при этом разделительная перегородка выполнена из твердого литий-проводящего электролита, катод и анод прижимаются к мембране с помощью поршня (перфорированного в случае катода) и пружины. Также изобретение относится к способу получения аккумулятора. Использование настоящего изобретения позволяет достичь высокой удельной емкости аккумулятора 6000 мАч/г катодного материала при плотности тока 0,01 мА/см2, что позволяет увеличить время работы аккумулятора без подзарядки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх