устройство очистки синтез-газа от углекислого газа

Формула изобретения

1. Устройство очистки синтез-газа, получаемого паровой конверсией метанола или углеводородов и содержащего потребляемый в топливном элементе водород, от углекислого газа, отличающееся тем, что устройство содержит один или несколько газодиффузионных катодов, через которые проходит очищаемый синтез-газ, 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 продувочный газ содержит водород.

Описание изобретения к патенту

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.

Применение синтез-газа в качестве водородсодержащего топлива для некоторых типов топливных элементов затруднено из-за содержащегося в нем значительного количества углекислого газа.

Известно устройство для преобразования и очистки газа, используемое для топливного элемента системы для выработки энергии, которое содержит заправляемую абсорбентом часть, избирательно абсорбирующую диоксид углерода, содержащийся в синтез-газе, подаваемом из части для риформинга (паровой конверсии).

Недостатком данного устройства является периодичный режим работы, сложная система удаления или регенерации отработанного твердого абсорбента (Заявка № 2002128629, патент JP 02/00426 (22.01.2002) «Интегрированный топливный блок, устройство для преобразования и очистки газа, используемое для топливного элемента системы для выработки энергии»).

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности непрерывной очистки синтез-газа от углекислого газа при отсутствии твердых побочных продуктов и небольших затратах энергии на очистку, обеспечение возможности использования энергии водорода, удаляемого из топливного элемента, для повышения энергосодержания исходного синтез-газа.

Техническим результатом также является обеспечение возможности применения в качестве устройства очистки синтез-газа устройства, конструктивно совпадающего с топливным элементом.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит один или несколько газодиффузионных катодов, через которые проходит очищаемый синтез-газ, 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. Продувочный газ устройства предпочтительно содержит отработанный (продувочный) водородсодержащий газ топливного элемента. В качестве продувочного газа может быть применен атмосферный воздух. 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 п-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

В выходящем из устройства очистки синтез-газе может быть снижено содержание углекислого газа до уровня, требуемого технологическими регламентами эксплуатации топливного элемента, или до уровня, обеспечивающего работоспособность следующей ступени очистки синтез-газа от углекислого газа.

Применение в качестве продувочного газа водородсодержащего газа позволит параллельно с очисткой синтез-газа от углекислого газа осуществить обогащение синтез-газа водородом за счет использования энергии водорода, содержащегося в продувочном газе.

Применение в качестве электролита водного раствора смеси п-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия позволит снизить затраты электрической мощности на очистку синтез-газа от углекислого газа при недостаточном количестве водорода в продувочном газе.

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

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на 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 синтез-газ. В пористый токосъемник 5 подают содержащий водород продувочный газ. Проходя сквозь пористые токосъемники, газы контактируют с электродами 2 и 4, смоченными электролитом, содержащимся в асбестовой матрице 3.

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

2Н₂O+2CO ₂+2е Н₂+2НСО₃ ^-

Н₂О+CO₂ +2е Н₂+СО₃ ^2-

В анодной зоне будут протекать реакции:

Н₂+2НСО₃ ^--2е 2Н₂O+2CO₂

Н₂+СО₃ ^2--2е Н₂O+CO₂

В результате данных реакций в катодной зоне будет происходить снижение содержания углекислого газа и повышение содержания водорода в протекающем сквозь пористый токосъемник 1 синтез-газе. Синтез-газ из токосъемника 1 с пониженной концентрацией углекислого газа подается на питание топливного элемента или на дальнейшую очистку от оставшихся микроколичеств углекислого газа и от других примесей. Образовавшиеся на пористом катоде 2 карбонат- и гидрокарбонат-ионы будут диффундировать сквозь слой электролита к пористому аноду 4, на поверхности которого будет происходить поглощение водорода и выделение углекислого газа. Выделившийся в анодной зоне углекислый газ смешивается с протекающим сквозь пористый токосъемник 5 продувочным газом и вместе с ним удаляется из устройства. Образовавшаяся на аноде 4 вода сквозь слой электролита диффундирует к катоду 2.

При высоких плотностях тока или малом количестве водорода в продувочном газе на аноде 4 может начаться электролитическое разложение карбонат- и гидрокарбонат-ионов с поглощением энергии и выделением кислорода:

4НСО₃ ^--4е O₂+2Н₂O+4CO ₂

2CO₃ ^2- -4e O₂+2CO₂

Предотвратить выделение кислорода и снизить затраты электрической мощности можно 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 зонах одновременно. В частности, таким веществом может быть хингидрон - эквимолярная смесь п-бензохинона и гидрохинона.

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

С₆Н ₄O₂+2Н₂O+2CO ₂+2е С₆Н₄(ОН) ₂+2НСО₃ ^-

В анодной зоне будет протекать реакция:

С ₆Н₄(ОН)₂+2НСО ₃ ^--2е С₆Н₄O ₂+2Н₂O+2CO₂

Гидрохинон, образующийся в катодной зоне, за счет диффузии сквозь слой электролита будет возвращаться в анодную зону, а п-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.