СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНОМ МАТРИЧНОМ ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ СО ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
METHOD OF CLEANING AIR OF CARBON DIOXIDE IN AIR-AIR MATRIX FUEL ELEMENT WITH ALKALINE ELECTROLYTE

Предлагаемое изобретение относится к области химических источников тока, в частности к функциональным вспомогательным системам обслуживания батарей топливных элементов, а именно к способу сорбционной очистки воздуха, потребляемого в топливном элементе, от диоксида углерода, для последующего использования его в качестве окислителя в батарее топливных элементов. Может быть использовано в электрохимическом генераторе на щелочных топливных элементах, предназначенном для использования в энергоустановках космических летательных аппаратов, автомобильном транспорте, подводных лодках.
В топливном элементе со щелочным электролитом в качестве окислителя часто используется атмосферный воздух. В атмосферном воздухе содержится около 400 ррm диоксида углерода, который, реагируя с электролитом, образует карбонаты, в значительной степени снижающие эффективность и время работы топливного элемента. Для увеличения времени работы топливного элемента необходима глубокая очистка воздуха от диоксида углерода.
Известен способ удаления диоксида углерода из воздуха, потребляемого в топливном элементе (1), заключающийся в пропускании воздуха через заменяемые контейнеры, снаряженные гранулами пористого материала, пропитанными раствором щелочи. После отработки контейнеры удаляют из устройства и подвергают регенерации.
Регенерацию осуществляют прокалкой гранул при температурах 900-1400°С, при которой удаляются карбонаты. После прокалки гранулы подвергают гидратации для образования щелочи. Второй способ регенерации отработанных гранул, о котором говорится в данном патенте, это взаимодействие образовавшихся карбонатов щелочного металла с окисью кальция или гидроокисью бария. При этом образуются нерастворимые карбонаты кальция или бария, которые отфильтровываются, и щелочь, которой повторно пропитывают гранулы.
Недостатком известных способов являются повышенная энергоемкость и трудоемкость процесса регенерации сорбента для поглощения двуокиси углерода. Такое устройство требует также затрат материалов, при этом сам процесс регенерации требует специальных мер с точки зрения техники безопасности.
В некоторой мере этот недостаток устранен при использовании способа, в котором качестве регенерируемых поглотителей диоксида углерода применяются цеолиты (2). Цеолиты достаточно глубоко очищают атмосферный воздух от диоксида углерода. Процесс адсорбции осуществляют при давлении 1-100 атм, регенерацию слоя цеолита осуществляют продувкой очищенным воздухом и снижением давления до 0,1-5 атм. Для полной регенерации при этом необходимо повышение температуры до 50-250°С. По мнению авторов патента, наиболее предпочтительным является температура 250°С. Причем атмосферная влага значительно снижает адсорбционную способность цеолитов по диоксиду углерода. Для восстановления сорбционной способности цеолитов необходимо их прокаливание при температурах 500-600°С. Таким образом, применяют метод КЦА (короткоцикловой адсорбции), при котором очищаемый газ сжимают до определенных давлений (от 2-100 атм), при которых происходит адсорбция диоксида углерода. Затем давление снижают, очищенный воздух направляют к потребителю, часть очищенного воздуха - продуктового газа - используют для промывки слоя поглотителя от поглощенных примесей. Применение этого метода требует значительного расхода энергии, специальных компрессоров и довольно сложного метода управления.
В качестве прототипа выбран способ удаления диоксида углерода из воздуха, потребляемого в топливном элементе (3), заключающийся в том, что воздух пропускают через адсорбер с поглотителем диоксида углерода, затем сорбент регенерируют нагревом, причем в адсорбер помещают поглотитель, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, например гидратированный оксид циркония, которые регенерируют отработанным в топливном элементе воздухом при температуре 60-120°С. Нагрев воздуха, поступающего на регенерацию, осуществляют до достижения относительной влажности от 15 до 85%.
Согласно прототипу специальная система запорной арматуры с адсорберами, снаряженными поглотителем диоксида углерода, выполнена так, что обеспечивает попеременное переключения адсорберов в режим сорбции (десорбции) и тем самым обеспечивает непрерывную работу всей системы очистки воздуха. В то же время у указанного способа очистки и устройства для его осуществления есть ряд существенных недостатков:
1. При режимах переключения десорбера в режим сорбера температура сорбента некоторое время остается высокой (поскольку до этого он регенерировался воздухом при температуре 60-120°С), в результате чего не обеспечивается требуемая глубина очистки воздуха.
2. Используемый сорбент имеет низкую сорбционную емкость при очистке влажного воздуха, что также ограничивает область его применения и использования.
3. Устройство имеет существенные массогабаритные характеристики, а возможность его использования на входе в компрессор для подачи воздуха в топливный элемент увеличивает энергозатраты для компремирования воздуха, при этом повышаются требования и к самому компрессору, вынужденному работать на воздухе с переменной температурой.
Задачей заявляемого технического решения является создание непрерывного способа глубокой очистки воздуха от диоксида углерода без использования химических сорбентов, без замены контейнеров, блоков, патронов и снижение энергоемкости за счет применения химической сорбции диоксида углерода на катоде и его электрохимической десорбции на аноде отдельного блока топливных элементов.
Эта задача достигается за счет того, что в известном способе, включающем адсорбцию диоксида углерода раствором щелочи, дополнительно используется десорбция диоксида углерода за счет электрохимической реакции декарбонизации раствора щелочи. Согласно заявляемому техническому решению воздух, поступающий в батарею щелочных топливных элементов, предварительно очищают от диоксида углерода в декарбонизаторе, представляющем собой отдельный блок, состоящий из одного или более щелочных топливных элементов, путем растворения его на катоде и выделения на аноде щелочных топливных элементов. Для предотвращения выпадения осадков карбонатов щелочных металлов в газовых камерах топливных элементов декарбонизатора воздух, подающийся в его щелочные топливные элементы, увлажняется водой, нагретой до температуры от 30 до 90°С. Периодически (по мере снижения характеристик) в декарбонизаторе проводится очистка щелочного электролита от карбонатов щелочных металлов путем повышения плотности тока нагрузки и увеличения интенсивности продувки водорода.
На чертеже показана схема заявляемого способа очистки воздуха от диоксида углерода в водородно-воздушном матричном топливном элементе со щелочным электролитом, который затем поступает в батарею топливных элементов (БТЭ).
Согласно заявляемому техническому решению воздух, при помощи насоса для подачи воздуха (1), проходит через увлажнитель (2), насыщаясь, таким образом, парами воды, и поступает в декарбонизатор (3), представляющий собой блок щелочных топливных элементов в количестве одного или более штук, где взаимодействует со щелочным электролитом. При этом образуется карбонаты щелочных металлов, которые растворяются в матричном электролите, а воздух тем самым очищается от диоксида углерода. Далее очищенный воздух подается в БТЭ (4).
Водород подается в БТЭ (4), далее поступает в декарбонизатор (3), где на аноде происходит выделение диоксида углерода, который выносится водородом из декарбонизатора (3) периодическими продувками.
Водород циркулирует в контуре декарбонизатора (3) при помощи насоса (5), через влагоотделитель (6) для поддержания необходимого влагосодержания в декарбонизаторе (3).
Опытным путем было установлено, что при увлажнении воздуха водой при температуре менее 30°С происходит осушение декарбонизатора, а следовательно, и увеличение концентрации электролита и выпадение бикарбоната калия в осадок. При температуре более 90°С появляется возможность выноса жидкой щелочи из декарбонизатора. Таким образом, экспериментально было установлено, что оптимальная температура увлажнения подаваемого воздуха находится в пределах от 30 до 90°С.
Примером конкретного применения может служить работа батареи топливных элементов электрохимического генератора на очищенном согласно заявляемому техническому решению от диоксида углерода воздухе.
3
Декарбонизатор состоял из 6 щелочных топливных элементов. Содержание диоксида углерода во входящем в декарбонизатор воздухе было 400 ррm. Воздух, поступающий в декарбонизатор, был увлажнен водой, температура которой составляла 78°С. При работе напряжение декарбонизатора было 550-650 мВ. На выходе из декарбонизатора количество диоксида углерода в воздухе составляло 10-20 ррm, а в водороде, при периодической продувке (1-секундный импульс с расходом 350…400 см/сек через 10 минут) 2184 ррm. Батарея топливных элементов проработала на неочищенном от диоксида углерода воздухе 380 часов и была планово остановлена.
Заявляемый способ очистки воздуха от диоксида углерода в водородно-воздушном матричном топливном элементе со щелочным электролитом применяется для обеспечения длительной работы батарей водородно-воздушных матричных топливных элементов со щелочным электролитом. Длительность работы БТЭ увеличивается более чем в 25 раз.
Заявляемое техническое решение обеспечивает питание батареи топливных элементов очищенным воздухом от диоксида углерода, а как следствие, длительную работу в целом электрохимического генератора. Также при использовании заявляемого технического решения не требуется каких-либо съемных или заменяемых адсорбентов, что влечет за собой снижение массогабаритных размеров электрохимического генератора, которые важны в таких областях, как автономные источники питания для космических аппаратов, портативная энергетика, автомобильная промышленность.