RU2229759C1 - Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2229759C1
RU2229759C1 RU2002129372/09A RU2002129372A RU2229759C1 RU 2229759 C1 RU2229759 C1 RU 2229759C1 RU 2002129372/09 A RU2002129372/09 A RU 2002129372/09A RU 2002129372 A RU2002129372 A RU 2002129372A RU 2229759 C1 RU2229759 C1 RU 2229759C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
adsorbers
carbon dioxide
absorber
fuel cells
Prior art date
Application number
RU2002129372/09A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2002129372A (ru
Inventor
З.Р. Каричев (RU)
З.Р. Каричев
Д.А. Блатов (RU)
Д.А. Блатов
С.И. Симаненков (RU)
С.И. Симаненков
В.Н. Шубина (RU)
В.Н. Шубина
Original Assignee
ЗАО Индепендент Пауэр Технолоджис "ИПТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЗАО Индепендент Пауэр Технолоджис "ИПТ" filed Critical ЗАО Индепендент Пауэр Технолоджис "ИПТ"
Priority to RU2002129372/09A priority Critical patent/RU2229759C1/ru
Priority to US10/530,777 priority patent/US8409331B2/en
Priority to CA2502240A priority patent/CA2502240C/en
Priority to PCT/RU2003/000469 priority patent/WO2004042857A1/en
Priority to AU2003285843A priority patent/AU2003285843A1/en
Priority to EP03779066A priority patent/EP1559160A4/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2229759C1 publication Critical patent/RU2229759C1/ru
Publication of RU2002129372A publication Critical patent/RU2002129372A/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0438—Cooling or heating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/0203—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising compounds of metals not provided for in B01J20/04
    • B01J20/0211—Compounds of Ti, Zr, Hf
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/06—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising oxides or hydroxides of metals not provided for in group B01J20/04
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3433—Regenerating or reactivating of sorbents or filter aids other than those covered by B01J20/3408 - B01J20/3425
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/345—Regenerating or reactivating using a particular desorbing compound or mixture
    • B01J20/3458—Regenerating or reactivating using a particular desorbing compound or mixture in the gas phase
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3483—Regenerating or reactivating by thermal treatment not covered by groups B01J20/3441 - B01J20/3475, e.g. by heating or cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/112—Metals or metal compounds not provided for in B01D2253/104 or B01D2253/106
    • B01D2253/1124—Metal oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/02—Other waste gases
    • B01D2258/0208—Other waste gases from fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40003—Methods relating to valve switching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40083—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B01D2259/4009—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/402—Further details for adsorption processes and devices using two beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0446—Means for feeding or distributing gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/06—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with moving adsorbents, e.g. rotating beds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов (ТЭ), в частности к способам и устройствам для сорбционной очистки воздуха, потребляемого в ТЭ, от двуокиси углерода. Согласно изобретению способ очистки воздуха для ТЭ, при котором исходный воздух пропускают через адсорбер с поглотителем двуокиси углерода, затем сорбент регенерируют нагревом, в адсорбере используют поглотитель, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, 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%. Устройство очистки воздуха для топливных элементов содержит побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов и запорной арматуры с адсорберами, снаряженными поглотителем двуокиси углерода и соединенными с воздушным входом топливного элемента, при этом запорная арматура выполнена в виде переключателей, обеспечивающих поочередное подключение входа и выхода одного из адсорберов к побудителю расхода воздуха и воздушному входу топливного элемента соответственно, а выхода другого адсорбера через нагреватель - к воздушному выходу топливного элемента. Устройство очистки воздуха для топливных элементов, содержащее побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов с адсорберами, снаряженными поглотителем двуокиси углерода и соединенными с воздушным входом топливного элемента, может быть выполнено так, что адсорберы, отделенные друг от друга перегородками, размещены в одном корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси и поочередного подключения по входу к побудителю потока воздуха, а по выходу через нагреватель к воздушному выходу топливного элемента. Адсорберы могут быть снаряжены поглотителем, содержащим гидратированный оксид циркония. Внутри адсорберов и нагревателей может быть установлена теплоизоляция. Техническим результатом изобретения является создание непрерывного способа и на его основе устройства глубокой очистки воздуха от СО2. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов (ТЭ), в частности к способам и устройствам для сорбционной очистки воздуха, потребляемого в ТЭ, от двуокиси углерода.
В ТЭ со щелочным электролитом в качестве окислителя часто используется атмосферный воздух. В атмосферном воздухе содержится от 200 до 400 ч.н.м. двуокиси углерода, которая, реагируя с электролитом, образует карбонаты, в значительной степени снижающие поляризационные характеристики ТЭ. Для увеличения времени работы воздушных электродов ТЭ необходима глубокая очистка воздуха от двуокиси углерода.
Предшествующий уровень техники
Известен способ удаления двуокиси углерода из воздуха, потребляемого в ТЭ (патент США 5595949, кл. B 01 J 20/34, 21.01.97). Способ заключается 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, который патентуется 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 известного способа является 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.
Частично этот недостаток устранен при использовании в качестве регенерируемых поглотителей двуокиси углерода цеолитов (патент США №6273939, кл. B 01 D 53/04, 14.08.2001). Цеолиты достаточно глубоко очищают атмосферный воздух от двуокиси углерода - до 1-2 ч.н.м. 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 заявителя, 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 - в английской терминологии PSA, TSA, PTSA), 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 метода КЦА требует значительного расхода энергии, специальных компрессоров и довольно сложного метода управления.
Известно устройство (патент США 5595949) для удаления двуокиси углерода для ТЭ. Устройство состоит из заменяемых контейнеров, которые снаряжены гранулами пористого материала, пропитанными раствором щелочи. После отработки контейнеры удаляются из устройства и подвергаются регенерации. Регенерация осуществляется методом прокалки гранул при температурах 900-1400°С для удаления карбонатов, после прокалки гранулы подвергаются гидратации для образования щелочи.
Недостатком известного устройства является повышенная энергоемкость и трудоемкость процесса регенерации сорбента для поглощения двуокиси углерода. Такое устройство требует также затрат материалов, при этом сам процесс регенерации нежелателен с точки зрения техники безопасности.
Недостатки этого устройства частично устранены в устройстве, известном из ЕР 1155729, кл. В 01 D 53/047, 21.11.2001. Устройство содержит побудитель расхода воздуха (компрессор или вентилятор), соединенный посредством трубопроводов и запорной арматуры с адсорберами, снаряженными поглотителем и соединенными с входом потребителя очищенного воздуха. В адсорберы загружен поглотитель, содержащий слой активированного угля и слой цеолита.
Недостатком такого устройства является высокий расход энергии, сложность конструкции и управления его работой, а также большой расход сбрасываемого воздуха (в несколько раз больше, чем количество очищенного).
По совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является в качестве прототипа для способа патент США 5595949, а в качестве прототипа для устройства - ЕР1155729.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание непрерывного способа и на его основе устройства глубокой очистки воздуха от двуокиси углерода без замены контейнеров, блоков, патронов и снижение энергоемкости за счет применения таких адсорбентов двуокиси углерода, которые быстро адсорбировали бы ее и легко регенерировались при небольших затратах энергии.
Указанный технический результат достигается созданием способа очистки воздуха для ТЭ, при котором исходный воздух пропускают через адсорбер с поглотителем двуокиси углерода, затем сорбент регенерируют нагревом, причем в адсорбер помещают поглотитель, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, 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%.
Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве очистки воздуха для ТЭ, содержащем побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов и запорной арматуры с адсорберами, снаряженными поглотителем двуокиси углерода и соединенными с воздушным входом топливного элемента, при этом запорная арматура выполнена в виде переключателей, обеспечивающих поочередное подключение входа и выхода одного из адсорберов к побудителю расхода воздуха и воздушному входу топливного элемента соответственно, а выхода другого адсорбера через нагреватель к воздушному выходу топливного элемента. В адсорберы загружен продукт, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, например гидратированный оксид циркония.
Указанный технический результат может быть достигнут также тем, что устройство очистки воздуха для топливных элементов, содержащее побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов с адсорберами, снаряженными поглотителями двуокиси углерода и соединенными с входом топливного элемента, адсорберы, отделенные друг от друга перегородкой, установлены в едином корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси и поочередного подключения по входу к побудителю потока, а по выходу к выходу топливного элемента, в адсорберы загружен продукт, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, и на входе в адсорбер, подключенном к выходу ТЭ по воздуху, установлен нагреватель. Внутри адсорберов и нагревателей может быть установлена теплоизоляция. Размещение адсорберов, разделенных перегородкой, в одном корпусе с возможностью их вращения вдоль продольной оси позволяет отказаться от запорной арматуры и одного из нагревателей, что существенно упрощает схему устройства. При вращении непрерывном или периодическом адсорберы поочередно становятся то на регенерацию, то на поглощение СO2.
Применение в адсорбере поглотителя, содержащего гидратированные оксиды переходных металлов, обеспечивает глубокую очистку воздуха от диоксида углерода, необходимую для работы ТЭ. Одновременно достигается снижение энергоемкости процесса регенерации. Кроме того, процесс регенерации такого поглотителя требует использования увлажненного воздуха, а именно такой воздух имеется на выходе ТЭ.
Использование отработанного в ТЭ воздуха для регенерации поглотителя, содержащего гидратированные оксиды переходных металлов, позволяет полностью восстанавливать поглотитель благодаря тому, что отработанный воздух имеет повышенную влажность и не содержит двуокись углерода. Пары воды, поступая в адсорбер, гидролизуют поверхностные карбонаты, образующиеся на поверхности поглотителя при адсорбции двуокиси углерода, и отдуваются воздухом, не содержащим двуокись углерода.
Нагрев воздуха в диапазоне температур от 60 до 120°С выбран по следующим причинам: при температуре ниже 60°С из-за малой скорости регенерации необходим более длительный прогрев слоя поглотителя, что ведет к снижению эффективности очистки воздуха от двуокиси углерода. При температуре выше 120°С и особенно при низком влагосодержании воздуха происходит необратимая дегидратация поглотителя и разрушение его структуры.
Осуществление нагрева воздуха, поступающего на регенерацию, до достижения относительной влажности от 15 до 85% обеспечивает проведение процесса регенерации поглотителя. При относительной влажности выше 85% происходит капиллярная конденсация водяных паров в порах сорбента, приводящая к уменьшению активной поверхности поглотителя. Это, в свою очередь, уменьшает сорбционную активность поглотителя и снижает производительность устройства. При относительной влажности ниже 15% процесс регенерации поглотителя происходит не полностью из-за замедления гидролиза поверхностных карбонатов, что также приводит к снижению производительности устройства.
Соединение выхода адсорберов с выходом ТЭ обеспечивает возможность регенерации поглотителя двуокиси углерода сбрасываемым из ТЭ воздухом, который, работая в режиме окисления кислородом воздуха водорода, не содержит двуокиси углерода, а высокая влажность этого воздуха, как указывалось выше, существенно интенсифицирует процесс регенерации поглотителя. Одновременно увеличивается коэффициент использования воздуха, что снижает энергоемкость процесса регенерации поглотителя.
Загрузка в адсорберы продукта, содержащего гидратированные оксиды переходных металлов, обеспечивает быстрое поглощение двуокиси углерода при комнатной температуре и регенерацию при относительно низкой температуре порядка 60-120°С. Причем крутая выпуклая изотерма адсорбции характеризует способность поглотителя удалять двуокись углерода при ее низких концентрациях. Таким образом, достигается упрощение конструкции и снижение энергоемкости процесса десорбции.
Размещение на выходах адсорберов нагревателей обеспечивает достижение необходимых для регенерации температуры и относительной влажности воздуха. Это техническое решение более эффективно, чем установка одного общего нагревателя на выходе из топливного элемента, так как продолжительность работы адсорберов в режиме сорбции двуокиси углерода по времени может отличаться от длительности процесса регенерации и поэтому более целесообразно для каждого адсорбера вести процесс нагрева воздуха независимо от другого. Также техническое решение эффективно и при использовании устройства, содержащего более двух адсорберов. И в этом случае достигается снижение энергопотребления за счет перевода регенерируемых адсорберов на продувку холодным воздухом, не содержащим диоксида углерода.
Снаряжение адсорберов поглотителем, содержащим гидратированный оксид циркония, по сравнению с другими переходными металлами, обеспечивает наименьшие затраты энергии на регенерацию и наиболее глубокую очистку исходного воздуха от двуокиси углерода. У гидратированного оксида циркония более высокая емкость по диоксиду углерода и более крутая изотерма адсорбции из всего ряда сорбентов на основе переходных металлов, что позволяет удалять двуокись углерода из очищаемого воздуха при более низких ее концентрациях.
Установка теплоизоляции внутри адсорберов и нагревателей уменьшает инерционность устройства за счет снижения затрат на нагрев и охлаждение оболочек указанных элементов конструкции, что в конечном итоге ведет к уменьшению энергоемкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием работы заявленных устройства и способа.
Перечень чертежей
На фиг.1 представлен один вариант принципиальной пневматической схемы заявленного устройства.
На фиг.2 представлен другой вариант принципиальной пневматической схемы заявленного устройства.
На фиг.3 показан в разрезе возможный вариант выполнения конструкции адсорбера 3.
На фиг.4 показан в разрезе возможный вариант выполнения конструкции нагревателя.
Один вариант выполнения устройства очистки воздуха (фиг.1) включает побудитель расхода воздуха (компрессор или вентилятор) 1, переключатель потока 2 в виде двухходового крана, соединенный с входом адсорберов 3 (1) и 3 (2). На выходе адсорберов установлены нагреватели 4 (1) и 4 (2), соединенные с переключателем потока 5, подключающим один из адсорберов к воздушному входу ТЭ 6, а другой (регенерируемый) к воздушному выходу ТЭ 6.
Другой вариант выполнения устройства очистки воздуха (фиг.2) включает побудитель расхода воздуха (компрессор или вентилятор) 1, соединенный с входом одного из адсорберов 3 (1) и 3 (2), расположенных в одном корпусе и разделенных перегородкой 7. На входе в один из адсорберов (регенерируемый), соединенный с выходом ТЭ 6, установлен нагреватель 4.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В адсорберы 3 (1) и 3 (2) загружают сорбент на основе гидратированных оксидов переходных металлов в виде гранул с размерами 1,5-2 мм, либо в виде блоков с каналами различного диаметра. Затем на входах адсорберов устанавливают нагреватели 4 (1) и 4 (2) и адсорберы подсоединяют через переключатели потока 2 и 5 к побудителю расхода 1 и топливному элементу 6, как показано на схеме фиг.1. После этого включают побудитель расхода воздуха 1 и через переключатель потока 2 исходный воздух при комнатной температуре (15-25°С) подают в адсорбер 3 (1), в котором осуществляют глубокую очистку от диоксида углерода за счет взаимодействия последнего с сорбентом. Очищенный от диоксида углерода воздух через нагреватель 4 (1) с отключенным нагревом и переключатель потока 5 подают на вход топливного элемента 6, в котором происходит процесс выработки электроэнергии за счет окисления водорода с поглощением кислорода воздуха и выделением паров воды. При этом отработанный влажный воздух с пониженным содержанием кислорода через выход топливного элемента 6 подают через переключатель потока 5 на нагреватель 4 (2), в котором отработанный в топливном элементе воздух нагревают до температуры 60-120°С и подают на выход адсорбера 3 (2). При этом происходит регенерация поглотителя с выделением диоксида углерода. Выходящий из адсорбера воздух сбрасывают в атмосферу через переключатель 2, так как он не пригоден для дальнейшего использования из-за наличия диоксида углерода и низкого содержания кислорода. После окончания процесса десорбции переключатели 2 и 5 переводят во второе положение (показано пунктиром). При этом исходный воздух очищают от диоксида углерода в адсорбере 3 (2), а адсорбер 3 (1) переводят в режим регенерации. При этом время сорбции выдерживают равным времени регенерации. В устройстве, выполненном согласно фиг.2, один из входов адсорберов постоянно подключен к побудителю расхода воздух 1, другой вход постоянно подключен через нагреватель 4 к выходу ТЭ 6. Переключение адсорберов на очистку воздуха или на регенерацию осуществляется путем вращения адсорберов вокруг продольной оси. Один адсорбер, подключенный к побудителю, очищает воздух, поступающий в ТЭ, другой, подключенный к выходу ТЭ, регенерируется. Затем поворотом вокруг оси адсорберы меняются местами.
Пример реализации
В адсорберы объемом 2,0 дм3 каждый загружали гранулированный поглотитель состава: ZrO(OH)·xMgO·yH2O. При температуре 20-25°С и давлении 0,1 МПа через один из адсорберов пропускали атмосферный воздух с расходом 170 л/мин и содержанием диоксида углерода 400-500 ч.н.м. Продолжительность цикла сорбции составила 15 мин. При этом концентрация диоксида углерода на выход из адсорбера составила 1 ч.н.м. В это же время второй адсорбер переключали в режим регенерации. Регенерацию адсорбера осуществляли потоком воздуха с расходом 170 л/мин и температурой 80°С и относительной влажностью 40%. Продолжительность цикла регенерации составила 15 мин, после чего второй адсорбер переключали в режим сорбции, а первый - в режим регенерации. Адсорбер (фиг.3) содержит корпус 9, на котором крепится верхняя крышка 10, в которой установлен фильтр 11. Между корпусом 9 и верхней крышкой установлено уплотнение 12, под которым внутри корпуса 9 смонтированы пружины 13, взаимодействующие с верхней сеткой 14 с диаметром меньше нанесенной на стенки корпуса теплоизоляцией 15, выполненной из вспененного пенополиуретана, заключенного в защитный кожух 16. Шпильки 17 предназначены для поджима сорбента 18 путем стягивания сетки нижней 19 и сетки верхней 14. В нижней части адсорбера установлена крышка нижняя 20 с аэрозольным фильтром 21.
Нагреватель (фиг.4) содержит спираль 22, заключенную в корпус 23, в котором установлены также датчик температуры 24 и термостойкая теплоизоляция 25.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Сорбент 18 в виде гранул из гидратированного оксида циркония загружается в адсорберы 3 (1) и 3 (2), для чего на корпус 9 устанавливаются теплоизоляция 15 и кожух 16, крышка 10 с аэрозольным фильтром 11 и прокладкой 12. Затем к фильтру 11 крепятся пружины 13 и устанавливается верхняя сетка 14 со шпильками 17. В полость адсорбера загружается сорбент 18, после чего устанавливается нижняя сетка 19 и производится стяжка сеток 14 и 19 шпильками 17, после чего устанавливаются теплоизоляция 21 и нижняя крышка 20.
На фланце крышек 20 устанавливаются нагреватели 4 (1) и 4 (2). Адсорберы подключаются к побудителю расхода воздуха и к ТЭ согласно схемы фиг.1 или фиг.2. Технология работы устройства описана выше.
Предлагаемый способ и устройство обеспечивают глубокую очистку воздуха от диоксида углерода и эффективную регенерацию сорбента, содержащего гидратированный оксид циркония, нагретым влажным воздухом, после его использования в топливном элементе, что упрощает технологический процесс и резко снижает энергозатраты.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленные способ и устройство могут быть реализованы на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию “промышленная применимость”.

Claims (8)

1. Способ очистки воздуха для топливных элементов, при котором исходный воздух пропускают через адсорбер с поглотителем двуокиси углерода, затем сорбент регенерируют нагревом, отличающийся тем, что в адсорбере используют поглотитель, содержащий гидратированные оксиды переходных металлов, которые регенерируют отработанным в топливном элементе воздухом при температуре 60-120°С.
2. Способ очистки воздуха для топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что нагрев воздуха, поступающего на регенерацию, осуществляют до достижения относительной влажности от 15 до 85%.
3. Устройство очистки воздуха для топливных элементов, содержащее побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов и запорной арматуры с адсорберами, снаряженными поглотителем двуокиси углерода и соединенными с воздушным входом топливного элемента, отличающееся тем, что запорная арматура выполнена в виде переключателей, обеспечивающих поочередное подключение входа и выхода одного из адсорберов к побудителю расхода воздуха и воздушному входу топливного элемента соответственно, а выхода другого адсорбера через нагреватель - к воздушному выходу топливного элемента.
4. Устройство очистки воздуха для топливных элементов по п.3, отличающееся тем, что адсорберы снаряжены поглотителем, содержащим гидратированный оксид циркония.
5. Устройство очистки воздуха для топливных элементов по п.3, отличающееся тем, что внутри адсорберов и нагревателей установлена теплоизоляция.
6. Устройство очистки воздуха для топливных элементов, содержащее побудитель потока воздуха, соединенный посредством трубопроводов с адсорберами, снаряженными поглотителем двуокиси углерода и соединенными с воздушным входом топливного элемента, отличающееся тем, что адсорберы, отделенные друг от друга перегородками, размещены в одном корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси и поочередного подключения по входу к победителю потока воздуха, а по выходу через нагреватель - к воздушному выходу топливного элемента.
7. Устройство очистки воздуха для топливных элементов по п.6, отличающееся тем, что адсорберы снаряжены поглотителем, содержащим гидратированный оксид циркония.
8. Устройство очистки воздуха для топливных элементов по п.6, отличающееся тем, что внутри адсорберов и нагревателей установлена теплоизоляция.
RU2002129372/09A 2002-11-05 2002-11-05 Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления RU2229759C1 (ru)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002129372/09A RU2229759C1 (ru) 2002-11-05 2002-11-05 Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления
US10/530,777 US8409331B2 (en) 2002-11-05 2003-11-04 Method and device for purifying air for fuel cells
CA2502240A CA2502240C (en) 2002-11-05 2003-11-04 Method and device for purifying air for fuel cells
PCT/RU2003/000469 WO2004042857A1 (en) 2002-11-05 2003-11-04 Method and device for purifying air for fuel cells
AU2003285843A AU2003285843A1 (en) 2002-11-05 2003-11-04 Method and device for purifying air for fuel cells
EP03779066A EP1559160A4 (en) 2002-11-05 2003-11-04 METHOD AND DEVICE FOR CLEANING AIR FOR FUEL CELLS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002129372/09A RU2229759C1 (ru) 2002-11-05 2002-11-05 Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2229759C1 true RU2229759C1 (ru) 2004-05-27
RU2002129372A RU2002129372A (ru) 2004-06-20

Family

ID=32310973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002129372/09A RU2229759C1 (ru) 2002-11-05 2002-11-05 Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8409331B2 (ru)
EP (1) EP1559160A4 (ru)
AU (1) AU2003285843A1 (ru)
CA (1) CA2502240C (ru)
RU (1) RU2229759C1 (ru)
WO (1) WO2004042857A1 (ru)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070141430A1 (en) * 2005-12-21 2007-06-21 Qunjian Huang Gas scrubber and method related thereto
JP5103757B2 (ja) 2006-03-08 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の酸化剤ガス浄化装置
US20080145721A1 (en) * 2006-12-14 2008-06-19 General Electric Company Fuel cell apparatus and associated method
EP2471139B1 (en) * 2009-08-24 2019-01-16 Elbit Systems Land and C4I Ltd. Systems and methods of securing immunity to air co2 in alkaline fuel cells
JP5910076B2 (ja) * 2011-12-27 2016-04-27 住友化学株式会社 二酸化炭素の吸着脱離が可能な部位を備えたアルカリ型電池
US10530001B2 (en) 2014-05-19 2020-01-07 Gencell Ltd. Scrubbing device for gas used in a fuel cell and method of scrubbing gas using the device
DE102014108874A1 (de) * 2014-06-25 2015-12-31 Krinner Drucklufttechnik Gmbh Luftaufbereitungsverfahren und -vorrichtung
US10381698B2 (en) * 2015-04-29 2019-08-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Metal air battery having air purification module, electrochemical cell having air purification module and method of operating metal air battery
FR3083012A1 (fr) * 2018-06-26 2019-12-27 Valeo Systemes Thermiques Dispositif de regeneration d'un filtre absorbant pour pile a combustible
FR3083013A1 (fr) * 2018-06-26 2019-12-27 Valeo Systemes Thermiques Dispositif de regeneration d'un filtre absorbant pour pile a combustible
CN111173779B (zh) * 2020-01-14 2020-11-20 江苏大学 用于极寒环境的燃料电池车辆空气滤清器及空气滤清方法
DE102023202650A1 (de) * 2023-03-23 2024-09-26 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung CO2-Adsorptionssystem mit einer CO2-Adsorptionsvorrichtung zum Trennen von CO2 (Kohlenstoffdioxid) und einer alkalischen Brennstoffzelle

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3990912A (en) * 1972-07-17 1976-11-09 United Technologies Corporation Electrolyte regeneration in a fuel cell stack
DE2326070C3 (de) * 1973-05-22 1979-10-25 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus zum Betrieb von elektrochemischen Zellen dienender Luft
FR2290239A1 (fr) * 1974-11-08 1976-06-04 Inst Francais Du Petrole Procede et dispositif de decarbonatation des gaz
JPS60171274A (ja) * 1984-02-16 1985-09-04 黒崎窯業株式会社 セラミツクの接合方法
SE8502322L (sv) * 1985-05-09 1986-11-10 Icor Ab Anordning for avlegsnande av co?712 ur en gasblandning
JPS63241877A (ja) * 1987-03-27 1988-10-07 Kawasaki Heavy Ind Ltd 燃料電池廃ガスの処理方法
CA2044242A1 (en) * 1989-10-27 1991-04-28 Leonard A. Jonas Sorbing apparatus with guard bed
SU1745312A1 (ru) * 1989-12-20 1992-07-07 Институт Физики Ан Азсср Способ очистки воздуха от диоксида углерода и паров воды
US5595949A (en) * 1994-03-18 1997-01-21 Electric Fuel (E.F.L.) Ltd., Scrubber system for removing carbon dioxide from a metal-air or fuel cell battery
US5540981A (en) * 1994-05-31 1996-07-30 Rohm And Haas Company Inorganic-containing composites
US5601937A (en) * 1995-01-25 1997-02-11 Westinghouse Electric Corporation Hydrocarbon reformer for electrochemical cells
JP3390148B2 (ja) * 1998-08-28 2003-03-24 クロリンエンジニアズ株式会社 電解用塩水の精製処理方法
US6921597B2 (en) * 1998-09-14 2005-07-26 Questair Technologies Inc. Electrical current generation system
FR2784599B1 (fr) * 1998-10-20 2000-12-08 Air Liquide Procede de purification d'un flux gazeux en ses impuretes n2o
US6299994B1 (en) * 1999-06-18 2001-10-09 Uop Llc Process for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
GB2362336A (en) * 2000-05-17 2001-11-21 Pall Corp The removal of chemical and biological agents from air.

Also Published As

Publication number Publication date
CA2502240A1 (en) 2004-05-21
AU2003285843A1 (en) 2004-06-07
WO2004042857A1 (en) 2004-05-21
EP1559160A4 (en) 2010-08-04
CA2502240C (en) 2010-04-13
US20060123989A1 (en) 2006-06-15
EP1559160A1 (en) 2005-08-03
US8409331B2 (en) 2013-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2229759C1 (ru) Способ очистки воздуха для топливных элементов и устройство для его осуществления
KR100271539B1 (ko) 온도스윙흡착방법
US3513631A (en) Heat-reactivatable adsorbent gas fractionator and process
US4312640A (en) Heat-reactivatable adsorbent gas fractionator and process
US6221130B1 (en) Method of compressing and drying a gas and apparatus for use therein
JPS62163725A (ja) 加熱再生可能の吸着剤によるガス分離装置および方法
JPH04298216A (ja) 水蒸気含有供給ガスから油蒸気を除去するための吸着方法
US4205967A (en) Adsorbent fractionator with system gas powered cycle control and process
US4054428A (en) Method and apparatus for removing carbon monoxide from compressed air
JP2009090979A (ja) 小型デシカント空調装置
JP2024133697A (ja) 空気調和システム、ビル空調システム及び二酸化炭素回収方法
KR101421080B1 (ko) 이산화탄소 흡착 및 재생 장치
JP2001062238A (ja) 空気浄化方法及び装置
US4167484A (en) Ozone generating apparatus
JP2009083851A (ja) 小型デシカント空調装置
JPH0691128A (ja) 連続ガス分離回収装置
CN103725338A (zh) 一种去除可燃气体中硅氧烷气体的装置及方法
CN210448618U (zh) 一种气体零气耗除油吸附式干燥系统
JP2014185388A (ja) ガス製造方法
JP2001104738A (ja) 医療用酸素濃縮器
JPH05123525A (ja) 気体精製方法及び装置
JPH09122432A (ja) 圧力スイング吸着法によるガス分離装置
JP2002085934A (ja) 吸脱着装置
JP2005326122A (ja) 小型デシカント空調装置
CN214809624U (zh) 一种节能型固定床吸附浓缩和催化燃烧组合处理装置

Legal Events

Date Code Title Description
PC4A Invention patent assignment

Effective date: 20051012

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20101106