Результат интеллектуальной деятельности: 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.

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→2СО₃ ^2-

В анодной зоне будут протекать реакции

4НСО₃ ^--4е→O₂+2Н₂O+4СО₂

2CO₃ ^2--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+СО₃ ^2--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.