Устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей

Изобретение относится к электрохимическим устройствам для извлечения вредных компонентов из газовых смесей, а именно для извлечения диоксида углерода для восстановления нормального химического состава воздуха, изменившегося вследствие жизнедеятельности людей, работы технических устройств, сжигания топлива и др. Изобретение может найти применение в системах регенерации воздуха в герметизированных помещениях, в системах очистки отходящих газов в топливной, химической и других отраслях промышленности. Устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей содержит установленные между двумя основаниями и разделенные сепараторами электрохимические ячейки, состоящие из двух электродов, между которыми расположена пористая матрица, пропитанная расплавленным карбонатным электролитом. Каждый сепаратор содержит пластину, первый и второй гофрированные слои, соединенные соответственно с первой и второй сторонами пластины. Причем каждый гофрированный слой включает по меньшей мере две гофрированные пластинки, а между соседними гофрированными пластинками выполнен зазор. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в интенсификации перемешивания потока газовой смеси, подаваемой на очистку от диоксида углерода, что приводит к улучшению извлечения CO₂ из газовой смеси. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электрохимическим устройствам для извлечения вредных компонентов из газовых смесей, а именно для извлечения диоксида углерода для восстановления нормального химического состава воздуха, изменившегося вследствие жизнедеятельности людей, работы технических устройств, сжигания топлива и др. Изобретение может найти применение в системах регенерации воздуха в герметизированных помещениях, в системах очистки отходящих газов в топливной, химической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является решение, раскрытое в статье «Испытания демонстрационной системы электрохимической регенерации воздуха» / А.Е. Баранов [и др.]. // Проблемы развития корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования. - 2017. - №4-1(13). - С. 36-45. Из указанного источника известно устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей, которое включает установленный между двумя основаниями набор электрохимических ячеек, состоящих из электродов, между которыми расположена пористая матрица, пропитанная расплавленным карбонатным электролитом, причем ячейки разделены сепараторами в виде профилированных металлических пластин. Известны различные варианты исполнения сепараторов, например, сепараторы для топливных элементов: WO 2010109795 А1, 30.09.2010; RU 2417485 С2, 27.04.2011. Однако использование известных сепараторов в составе устройства для извлечения диоксида углерода из газовых смесей по прототипу, не улучшит извлечение диоксида углерода из газовой смеси в виду наличия в конструкции сепараторов непрерывных каналов, формирующих ламинарный поток газовой смеси, направляемой к катодам электрохимических ячеек.

Задачей предлагаемого изобретения является создание надежного и эффективного устройства для извлечения диоксида углерода из газовых смесей, как с высоким, так и с низким его содержанием.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в интенсификации перемешивания потока газовой смеси, подаваемой на очистку от диоксида углерода, что приводит к улучшению извлечения CO₂ из газовой смеси.

Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей, содержащее установленные между двумя основаниями и разделенные сепараторами электрохимические ячейки, каждая ячейка состоит из двух электродов, между которыми расположена пористая матрица, пропитанная расплавленным карбонатным электролитом. Каждый сепаратор содержит пластину, первый и второй гофрированные слои, соединенные соответственно с первой и второй сторонами пластины. Причем каждый гофрированный слой включает по меньшей мере две гофрированные пластинки, а между соседними гофрированными пластинками выполнен зазор.

Первый гофрированный слой содержит первую группу каналов, а второй гофрированный слой содержит вторую группу каналов, причем указанные слои расположены таким образом, что оси каналов первой и второй группы перпендикулярны.

Предлагаемое конструктивное исполнение сепаратора позволяет турбулизировать проходящий через него поток газовой смеси, например воздуха с низким (0,1÷0,5%) или высоким содержанием CO₂, обеспечивая при этом наиболее интенсивную доставку углекислого газа с потоком загрязненного воздуха к катодам электрохимических ячеек, на которых происходит химическая реакция между кислородом и углекислым газом с образованием карбонат-ионов, что в свою очередь приводит к улучшению извлечения диоксида углерода из этой газовой смеси.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства согласно изобретению.

На фиг. 2 приведен общий вид сепаратора со стороны первого гофрированного слоя.

На фиг. 3 изображен общий вид сепаратора со стороны первого гофрированного слоя.

На фиг. 4 изображен сепаратор, вид в поперечном разрезе.

Устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей содержит установленные между двумя основаниями (первым 1 и вторым 2), разделенные сепараторами планарные электрохимические ячейки, например, две ячейки (Фиг. 1), разделенные одним сепаратором 3. Количество сепараторов зависит от количества электрохимических ячеек. Каждая ячейка состоит из двух электродов (катода 4 и анода 5), например, пористых никелевых электродов (отжигаемых in-situ), между которыми расположена пористая матрица 6 (чаще керамическая матрица на основе алюминия (LiAlO0₂)), пропитанная расплавленным карбонатным электролитом. В качестве расплавленного карбонатного электролита обычно используют литий/калиевый карбонат (Li₂CO₃/K₂CO₃) или литий/натриевый карбонат (Li₂CO₃/Na₂CO₃). Электролит при температуре 580-700°С обеспечивает перемещение карбонат-ионов и блокирует движение электронов. Между каждым основанием и ближайшей к нему ячейкой через электроизолирующие прокладки 10 установлены концевые пластины 11.

Сепаратор 3 содержит пластину 7 в виде плоского металлического листа и два гофрированных слоя, закрепленных соответственно к первой и второй стороне пластины 7. По периметру пластины 7 выполнены входные отверстия 8 для подвода к каналам сепаратора газов (смесей газов) и выходные отверстия 9 для отвода от каналов сепаратора газов (смесей газов). Пластина 7 может быть изготовлена из листа из жаропрочной стали, например, стали марки AISI310S.

Каждый гофрированный слой включает по меньшей мере две гофрированные пластинки 12. Гофрированные пластинки 12 изготавливаются, например, из лент жаропрочной стали. Предпочтительно использование гофрированных пластинок 12 с трапециевидным профилем гофра. Гофрированные пластинки 12 скрепляют с пластиной 7 сваркой. Оптимальным является вариант, когда в каждом гофрированном слое содержится от 2 до 6 гофрированных пластинок 12 с зазором между соседними рядами, однако количество их в слое может быть увеличено, в зависимости от габаритов электрохимического устройства. Зазор между соседними гофрированными пластинками может составлять, например, 1 мм и менее. Наличие зазоров между гофрированными пластиками необходимо для выравнивания давления в каналах и для интенсификации (турбулизации) потока газовой смеси, направляемой к электродам ячеек.

Первый гофрированный слой содержит первую группу каналов, а второй гофрированный слой содержит вторую группу каналов. Причем эти слои при соединении с пластиной 7 располагают таким образом, что продольные оси каналов первой и второй группы перпендикулярны. Такое расположение позволяет осуществлять подвод загрязненного CO₂ воздуха и водорода, а также отвод очищенного от CO₂ воздуха и анодного газа (CO₂ с избытком водорода) через отдельные магистрали.

Предлагаемое устройство может осуществлять извлечение углекислого газа из газовых смесей, работая как топливный элемент, вырабатывая при этом электрическую энергию, либо как электролизер.

Работа предлагаемого изобретения описана в режиме топливного элемента. Конструктивно предлагаемое устройство разделено на две полости: водородную и воздушную. Газовая смесь, например, воздух герметичного объекта, загрязненный CO₂, подается через входной патрубок первого основания 1 к коллектору, образованному из входных отверстий, выполненных в первом основании, в сепараторе 3 и в матрицах 6, из которого поступает в каналы одного гофрированного слоя сепаратора 3 к катодам электрохимических ячеек. На катоде происходит реакция диоксида углерода с кислородом с образованием карбонат-иона:

Образующиеся карбонат-ионы по эстафетному механизму переходят в анодную полость. После протекания химической реакции на катодах очищенный от диоксида углерода воздух собирается в коллекторе (на чертежах не показан), образованном выходными отверстиями сепаратора 3, матриц 6 и второго основания 2, и через выходной патрубок второго основания 2 выходит из устройства. При этом воздушная полость герметично отделена от водородной полости. Сепаратор 3 установлен так, что одна сторона сепаратора 3 контактирует с катодом одной ячейки через токоотводы 13, а вторая также через токоотводы 13 - с анодом соседней ячейки, образуя прерывистые каналы для подвода и отвода газовых потоков.

Подача водорода к анодной полости каждой электрохимической ячейки осуществляется через каналы второго гофрированного слоя сепаратора 3, в которые он поступает из входного патрубка первого основания 1, через коллектор, образованный из входных отверстий, выполненных в первом основании 1, в сепараторе 3 и в матрицах 6. Водород реагирует с карбонат-ионами:

Образующийся на аноде CO₂ выводится с избытком водорода через каналы сепаратора 3 и коллектор (на чертежах не показан), образованный аналогично коллектору для очищенного воздуха, и выходной патрубок второго основания 2. При этом само устройство генерирует электроэнергию.

Сепаратор разделяет электрохимические ячейки друг от друга, обеспечивая при этом их последовательное электрическое соединение за счет равномерного электрического контакта по всей площади рабочей поверхности. Использование новой конструкции сепаратора в предлагаемом устройстве позволяет улучшить извлечение углекислого газа из газовых смесей и соответственно увеличить производительность устройства в целом.

1. Устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей, содержащее установленные между двумя основаниями и разделенные сепараторами электрохимические ячейки, состоящие из двух электродов, между которыми расположена пористая матрица, пропитанная расплавленным карбонатным электролитом, отличающееся тем, что каждый сепаратор содержит пластину, первый и второй гофрированные слои, соединенные соответственно с первой и второй сторонами пластины, причем каждый гофрированный слой включает по меньшей мере две гофрированные пластинки, а между соседними пластинками выполнен зазор.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый гофрированный слой содержит первую группу каналов, а второй гофрированный слой содержит вторую группу каналов, причем указанные слои расположены таким образом, что оси каналов первой и второй группы перпендикулярны.