RU2439206C1 - Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов - Google Patents
Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439206C1 RU2439206C1 RU2010144103/07A RU2010144103A RU2439206C1 RU 2439206 C1 RU2439206 C1 RU 2439206C1 RU 2010144103/07 A RU2010144103/07 A RU 2010144103/07A RU 2010144103 A RU2010144103 A RU 2010144103A RU 2439206 C1 RU2439206 C1 RU 2439206C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel cell
- electrolyte
- carbonates
- alkaline
- water
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 title claims abstract description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000007664 blowing Methods 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004887 air purification Methods 0.000 description 1
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Изобретение относится к химическим источникам тока, в частности к щелочным топливным элементам, и может быть использовано в электрохимическом генераторе на щелочных топливных элементах, предназначенных для использования в энергоустановках космических летательных аппаратов, автомобильном транспорте, подводных лодках. Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов включает использование электрического тока, а также подачу в катодную камеру топливного элемента чистого кислорода и продувку анодной камеры инертным газом, например азотом, увлажненным водой при температуре от 20 до 100°С, при этом в процессе очистки камеры на электроды подают напряжение ниже напряжения разложения воды. Изменяя время обработки, ток и напряжение, можно снизить содержание карбонатов в щелочном электролите до требуемой величины, что позволяет исключить стадию перезаправки батареи топливных элементов чистым электролитом. Повышение работоспособности батареи топливных элементов является техническим результатом изобретения. 1 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области химических источников тока, в частности к щелочным топливным элементам. Может быть применено в электрохимическом генераторе на щелочных топливных элементах, предназначенном для использования в энергоустановках космических летательных аппаратов, автомобильном транспорте, подводных лодках.
При работе щелочного топливного элемента на воздухе, даже в случае очистки воздуха от углекислого газа в электролите постепенно накапливается некоторое количество К2СО3, поскольку 100% очистки воздуха от СО2 достичь невозможно. Накопление карбонатов в электролите ведет к снижению характеристик топливного элемента. Так, при функционировании электрохимического генератора в течение ~5000 часов даже на достаточно чистых водороде (водород технический, содержание водорода - 99,9%) и кислороде (кислород технический, содержание СО2 в 1 дм3 жидкого O2 - менее 2 см3) около 41,5% КОН переходит в К2СО3, а потери напряжения на каждом топливном элементе составляют 90 мВ при плотности тока ~220 мА/см2. Причем 75% этих потерь удается вернуть перезаправкой топливных элементов электрохимического генератора чистым электролитом.
Перезаправка электрохимического генератора чистым электролитом - трудоемкая операция, особенно на топливных элементах с матричным электролитом (электролит заключен в матрице - пористой среде, расположенной между анодом и катодом топливного элемента), требующая достаточно квалифицированного персонала.
В настоящее время известны химические и электрохимические методы очистки щелочного электролита от карбонатов.
Например, известен способ регенерации щелочных электролитов серебрения (Авторское свидетельство СССР №1555399, МПК C25D 21/15, приоритет от 08.07.1987 г.) [1], в котором для извлечения избыточного количества карбонатов предложено добавлять в регенерируемый электролит хлорную кислоту (HClO4) в стехиометрическом отношении к углекислому калию.
Недостатком данного способа является то, что этот способ очистки электролита является многостадийным, трудоемким, требует выведения электролита из устройства, а также после очистки оставшиеся реагенты могут неблагоприятно отразиться на катализаторе топливных элементов.
Известна также схема электрохимического концентрирования и очистки раствора щелочи в электролизере с чередующимися анионитовыми и катионитовыми мембранами (патент Великобритании №1580010, МПК C01D 7/07, приоритет 21.07.1976 г.) [2]. Исходный разбавленный раствор NaOH подают в камеры, ограниченные анионообменной и катионообменной мембранами. В соседних камерах концентрирования за счет переноса ионов Na+, ОН- соответственно через катионообменные и анионообменные мембраны образуется концентрированный раствор. При реализации способа возможно получение раствора концентрации 14 моль/л с выходом по току более 90%, но необходимо отводить растворы с примесями из анодной камеры и камер, в которые подают разбавленный раствор.
Недостатком приведенного способа очистки электролита от карбонатов является то, что он предполагает выведение электролита из устройства, в котором он используется, что, в принципе, возможно в топливных элементах с циркулирующим электролитом, но весьма затруднительно в топливных элементах с матричным электролитом.
Задачей заявляемого способа очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов является создание способа, который позволяет электрохимически очистить электролит (например, КОН) от карбонатов (например, К2СО3) непосредственно в топливном элементе независимо от состояния, в котором электролит находится (в виде жидкости, находящейся между анодом и катодом топливного элемента, в свободном состоянии или в пористой среде - матрице).
Технический результат достигается за счет того, что, как и в предыдущем случае, для очистки электролита используется электрический ток, однако, в отличие от этого способа электролит не требуется выводить из топливного элемента. Согласно заявляемому техническому решению в катодные камеры топливных элементов батареи топливных элементов, входящей в состав электрохимического генератора, подается чистый кислород, а анодные камеры продуваются инертным газом, например азотом, который во избежание пересушки топливных элементов предварительно увлажняется водой при температуре от 20 до 100°С. Затем к электродам прикладывается напряжение, которое во избежание электролиза воды ниже напряжения разложения воды. При этом на катоде будет протекать реакция поглощения кислорода:
O2+2Н2О+4е-→4OH-,
а на аноде реакция выделения СО2:
2СО3-4е-→2CO2+O2.
Таким образом, закарбонизированный электролит будет очищаться от карбонатов.
Экспериментально было установлено, что при недостаточном увлажнении инертного газа водой происходит образование сухих осадком карбонатов на поверхности электродов и в газовых каналах, что приводит к закупорке каналов и пор электродов, а при излишке увлажнения возможен вынос щелочи из батареи топливных элементов. Тем самым увлажнение инертного газа в диапазоне 20-100°С подбирается так, чтобы исключить оба этих негативных последствия, причем температура увлажнения зависит от режимов работы батареи топливных элементов. Данный диапазон температур был выбран как наиболее оптимальный.
На чертеже показана схема способа очистки электролита щелочного топливного элемента, входящего в состав батареи щелочных топливных элементов, от карбоната.
Батарея топливных элементов (1) состоит из анодных (2) и катодных (3) камер. В анодную камеру (2) через увлажнитель (4) подается увлажненный инертный газ (6), а в катодную камеру (3) чистый кислород (7). Анодные (2) и катодные (3) камеры подключены к источнику тока (5). Продукты реакции (азот, кислород и СO2) выводятся по трассе (8) из анодной камеры (2).
Пример осуществления
6-элементная батарея топливных элементов, например щелочных матричных топливных элементов, в процессе функционирования была закарбонизована при использовании в качестве окислителя на катоде неочищенного от углекислого газа воздуха. Затем в катодные (воздушные) камеры был подан чистый кислород, а анодные (водородные) начали продувать инертным газом, увлажненным водой, при температуре 67°С, например азотом. После этого на электроды было подано напряжение ~5 В, при этом через модуль установился ток ~2 А. В потоке азота, вытекающем из анодных камер, с помощью газоанализатора «Гамма-100» было зафиксировано наличие СО2 в количестве ~200 ppm. При увеличении напряжения до ~7 В, что привело к увеличению тока до ~5,5 А, содержание СО2 в потоке азота увеличилось до ~850 ppm. В течение 40 минут напряжение снизилось до ~5,5 В, ток - до 4 А, а содержание СО2 в азоте - до ~400 ppm.
Таким образом, варьируя время обработки, ток и напряжение, можно снизить содержание карбонатов в щелочном электролите до требуемой величины.
Это позволяет исключить стадию перезаправки батареи топливных элементов чистым электролитом, а также вывода электролита из топливных элементов для его очистки. В результате применения заявляемого технического решения сокращается время на технологические работы по поддержанию работоспособного состояния батареи топливных элементов, технические характеристики батареи топливных элементов становятся стабильными.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1555 399, МПК C25D 21/15, приоритет от 08.07.1987 г.
2. Патент Великобритании №1580010, МПК C01D 7/07, приоритет 21.07.1976 г.
Claims (1)
- Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов, включающий использование электрического тока, отличающийся тем, что в катодную камеру топливного элемента подают чистый кислород, анодную камеру топливного элемента продувают инертным газом, увлажненным водой при температуре от 20 до 100°С, а на электроды подают напряжение ниже напряжения разложения воды.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144103/07A RU2439206C1 (ru) | 2010-10-27 | 2010-10-27 | Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144103/07A RU2439206C1 (ru) | 2010-10-27 | 2010-10-27 | Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439206C1 true RU2439206C1 (ru) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010144103/07A RU2439206C1 (ru) | 2010-10-27 | 2010-10-27 | Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439206C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499622C1 (ru) * | 2012-08-30 | 2013-11-27 | Военный институт (военно-морской политехнический) федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Способ контроля степени отработки электролита в системах электрохимической регенерации воздуха совмещенного типа подводных лодок |
-
2010
- 2010-10-27 RU RU2010144103/07A patent/RU2439206C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499622C1 (ru) * | 2012-08-30 | 2013-11-27 | Военный институт (военно-морской политехнический) федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Способ контроля степени отработки электролита в системах электрохимической регенерации воздуха совмещенного типа подводных лодок |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8834688B2 (en) | Low-voltage alkaline production using hydrogen and electrocatalytic electrodes | |
| CN101984749B (zh) | 使用二氧化碳气体的低能量4-电池电化学系统 | |
| US20110303551A1 (en) | Electrochemical production of an alkaline solution using co2 | |
| US20100200419A1 (en) | Low-voltage alkaline production from brines | |
| US20110079515A1 (en) | Alkaline production using a gas diffusion anode with a hydrostatic pressure | |
| JPS6380480A (ja) | 燃料電池及び燃料電池で発電する方法 | |
| CN110117794B (zh) | 一种电还原co2制甲酸盐的三室型电解池装置及其电解方法 | |
| WO2011008223A1 (en) | Electrochemical production of an alkaline solution using co2 | |
| US11857914B2 (en) | Electrochemical apparatus for acid gas removal and hydrogen generation | |
| KR101543322B1 (ko) | 철-edta을 매개로 한 황화수소 제거방법 | |
| WO2020038383A1 (zh) | 液流电池电解液的纯化方法和纯化装置 | |
| RU2439206C1 (ru) | Способ очистки электролита щелочного топливного элемента от карбонатов | |
| CN114349029B (zh) | 一种生产高纯碳酸盐的解耦式二氧化碳矿化膜电解系统 | |
| RU2342742C1 (ru) | Устройство очистки воздуха для топливного элемента от углекислого газа | |
| JPH0720532B2 (ja) | 酸素の電気化学的分離法および電気化学的酸素濃縮セル | |
| US20240229256A9 (en) | Electrolyser device and method for carbon dioxide reduction | |
| CN114497668B (zh) | 一种解耦式二氧化碳矿化发电系统及其矿化发电的方法 | |
| RU2092232C1 (ru) | Способ электрохимического отделения кислых газов | |
| CA2696086C (en) | Electrochemical production of an alkaline solution using co2 | |
| JP2007059196A (ja) | 発電システム | |
| RU2298262C1 (ru) | Способ электрохимического получения тока, топливный элемент, система топливного элемента и способ получения водородсодержащего газа для данной системы | |
| EP0019717A1 (en) | Simultaneous production of alkali metal hydroxide and electric energy | |
| RU2342741C1 (ru) | Устройство очистки синтез-газа от углекислого газа | |
| RU2335883C1 (ru) | Устройство для очистки воздуха в хранилище с регулируемым составом атмосферы от кислорода и/или углекислого газа | |
| BG113682A (bg) | Метод за оползотворяване на въглероден диоксид, съдържащ се в газове |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131028 |