СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЕЕ КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2022 года по МПК H01M12/08 H01M8/668 

Ссылка на предыдущие заявки

[0001] Данная заявка является патентной заявкой, являющейся переведенной на национальную фазу Международной патентной заявкой № PCT/KR2019/002896 (подана 13 марта 2019 г.), которая испрашивает приоритет по корейским патентным заявкам №№ 10-2018-0031433 (подана 19 марта 2018 г.), 10-2018-0053240 (подана 09 мая 2018 г.), 10-2018-0064189 (подана 04 июня 2018 г.), 10-2018-0096113 (подана 17 августа 2018 г.), 10-2018-0142495 (подана 19 ноября 2018 г.) и 10-2018-0142494 (подана 19 ноября 2018 г.), которые все включены в данный документ посредством ссылки во всей полноте.

Предпосылки изобретения

[0002] Настоящее изобретение относится к системе утилизации диоксида углерода и содержащей ее комплексной системе выработки электроэнергии.

[0003] В последнее время выбросы парниковых газов постоянно увеличиваются по мере индустриализации, и самая большая доля парниковых газов приходится на диоксид углерода. По отраслям промышленности выбросы диоксида углерода являются самыми высокими в источниках энергоснабжения, таких как электростанции и тому подобное, и половина мировой выработки диоксида углерода приходится на диоксид углерода, образующийся в цементной/сталелитейной/перерабатывающей промышленности, включая производство электроэнергии. Области преобразования/утилизации диоксида углерода грубо подразделяют на химическую конверсию, биологическую конверсию и прямую утилизацию, а в технических категориях их можно подразделить на катализаторные, электрохимические процессы, биологические процессы, использование света, минерализацию (карбонизацию), полимеры и тому подобное. Поскольку диоксид углерода образуется в разных промышленных отраслях и процессах, и невозможно добиться уменьшения количества диоксида углерода за счет одной технологии, необходимы различные подходы к снижению количества диоксида углерода.

[0004] В настоящее время Министерство энергетики (DOE) США занимается разработкой диверсифицированной технологии с вниманием к технологии CCUS, которая является комбинацией улавливания и хранения углерода (CCS) и улавливания и утилизации углерода (CCU), в качестве технологии уменьшения количества диоксида углерода. Хотя технология CCUS признана эффективным способом снижения количества парниковых газов, она сталкивается с проблемами, связанными с высокими инвестиционными затратами, возможностью выбросов в атмосферу вредных улавливающих средств и низким уровнем технологической готовности. Кроме того, с точки зрения политики в области энергетики и климата технология CCUS предоставляет средство значительного сокращения выбросов парниковых газов, но есть много дополнительных моментов, связанных с реализацией этой технологии. Следовательно, существует необходимость в разработке новой концепции прорывной технологии для более эффективного улавливания, хранения и утилизации диоксида углерода.

[0005] В качестве предшествующего патентного документа, относящегося к области техники настоящего изобретения, в корейской выложенной патентной публикации № 10-2015-0091834 раскрыта система утилизации диоксида углерода, которая улавливает диоксид углерода с использованием натрия.

Сущность изобретения

[0006] Настоящее изобретение направлено на предоставление системы, которая утилизирует диоксид углерода, являющийся парниковым газом, посредством спонтанной электрохимической реакции без использования отдельного источника питания.

[0007] Также настоящее изобретение направлено на предоставление системы утилизации диоксида углерода, способной производить водород высокой чистоты, который представляет собой экологически чистое топливо, при утилизации диоксида углерода.

[0008] Также настоящее изобретение направлено на предоставление системы утилизации диоксида углерода, способной улавливать диоксид углерода в виде ионов бикарбоната.

[0009] Также настоящее изобретение направлено на предоставление комплексной системы выработки электроэнергии, содержащей описанную выше систему утилизации диоксида углерода.

[0010] В одном аспекте настоящего изобретения предложена система утилизации диоксида углерода, содержащая: катодный блок, включающий в себя первое приемное пространство, первый водный раствор и катод, по меньшей мере частично погруженный в первый водный раствор; анодный блок, включающий в себя второе приемное пространство, второй водный раствор, который является основным, и металлический анод, по меньшей мере частично погруженный во второй водный раствор; и соединительный блок, выполненный с возможностью соединения катодного блока и анодного блока, причем диоксид углерода, введенный в первый водный раствор, улавливается в виде иона бикарбоната и образует ион водорода, а ион водорода реагирует с электроном катода с получением водорода.

[0011] В другом аспекте настоящего изобретения предложена система утилизации диоксида углерода, содержащая: реакционное пространство, в котором находится водный раствор; катод, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор в реакционном пространстве; и металлический анод, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор в реакционном пространстве, причем диоксид углерода, введенный в водный раствор, улавливается в виде иона бикарбоната и образует ион водорода, а ион водорода реагирует с электроном катода с получением водорода.

[0012] В еще одном аспекте настоящего изобретения предложена комплексная система выработки электроэнергии, содержащая: систему утилизации диоксида углерода, которая производит водород с использованием диоксида углерода в качестве топлива; установку риформинга, которая получает богатый водородом риформированный газ из водородсодержащего топлива и производит диоксид углерода в качестве побочного продукта; топливный элемент, который принимает полученный в установке риформинга риформированный газ в качестве топлива; и блок подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи диоксида углерода, произведенного в установке риформинга, в систему утилизации диоксида углерода.

[0013] В еще одном аспекте настоящего изобретения предложена комплексная система выработки электроэнергии, содержащая: систему утилизации диоксида углерода, которая производит водород с использованием диоксида углерода в качестве топлива; установку риформинга, которая получает богатый водородом риформированный газ из водородсодержащего топлива; топливный элемент, который принимает полученный в установке риформинга риформированный газ в качестве топлива; и блок подачи водорода, выполненный с возможностью дополнительной подачи водорода, произведенного в системе утилизации диоксида углерода, в качестве топлива топливного элемента.

[0014] В еще одном аспекте настоящего изобретения предложена комплексная система выработки электроэнергии, содержащая: систему утилизации диоксида углерода, которая производит водород с использованием диоксида углерода в качестве топлива; установку риформинга, которая получает богатый водородом риформированный газ из водородсодержащего топлива и производит диоксид углерода в качестве побочного продукта; топливный элемент, который принимает полученный в установке риформинга риформированный газ в качестве топлива; блок подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи диоксида углерода, произведенного в установке риформинга, в систему утилизации диоксида углерода; и блок подачи водорода, выполненный с возможностью дополнительной подачи водорода, произведенного в системе утилизации диоксида углерода, в качестве топлива топливного элемента.

[0015] Согласно настоящему изобретению все описанные выше цели настоящего изобретения могут быть достигнуты. Конкретно, электричество, водород и ионы бикарбоната могут быть получены при использовании различных металлов и утилизации диоксида углерода посредством спонтанной электрохимической реакции без использования отдельного внешнего источника питания.

[0016] Кроме того, поскольку предусмотрен блок обработки диоксида углерода, выполненный с возможностью предотвращения подачи в катодный блок диоксида углерода, не растворенного в водном растворе, в катодном блоке во время выпуска может быть получен водород высокой чистоты.

[0017] Кроме того, поскольку скомбинированы система утилизации диоксида углерода, которая производит водород за счет использования образующегося в углеводородном топливном элементе диоксида углерода в качестве исходного материала, и водородный топливный элемент, который использует образовавшийся во вторичной батарее водород в качестве топлива, можно эффективно получать электроэнергию при утилизации диоксида углерода.

Краткое описание чертежей

[0018] Фиг. 1 - схематичное изображение, иллюстрирующее процесс работы системы утилизации диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0019] Фиг. 2 - схематичное изображение, иллюстрирующее процесс работы системы утилизации диоксида углерода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0020] Фиг. 3 - схематичное изображение, иллюстрирующее процесс работы системы утилизации диоксида углерода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[0021] Фиг. 4 - схематичное изображение, иллюстрирующее процесс работы системы утилизации диоксида углерода, содержащей блок обработки диоксида углерода, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

[0022] Фиг. 5 - блок-схема, схематично иллюстрирующая конфигурацию комплексной системы выработки электроэнергии, содержащей систему утилизации диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

[0023] Далее конфигурация и процесс работы вариантов осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи.

[0024] На фиг. 1 показана конфигурация системы утилизации диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Обращаясь к фиг. 1, система 100a утилизации диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя катодный блок 110, анодный блок 150 и соединительный блок 190, выполненный с возможностью соединения катодного блока 110 и анодного блока 150. Соединительный блок 190 может представлять собой солевой мостик. Система 100a утилизации диоксида углерода в качестве исходного материала в спонтанной окислительно-восстановительной реакции использует газообразный диоксид углерода (CO₂), который является парниковым газом, и производит водород (H₂), который представляет собой экологически чистое топливо.

[0025] Катодный блок 110 включает первый водный раствор 115, содержащийся в первом приемном пространстве 111, и катод 118, по меньшей мере частично погруженный в первый водный раствор 115. В качестве первого водного раствора 115 можно использовать щелочной водный раствор (в варианте осуществления настоящего изобретения используют раствор, полученный путем элюирования CO₂ в сильно основном растворе 1 M KOH), морскую воду, водопроводную воду, дистиллированную воду и тому подобное. Катод 118 является электродом для образования электрической цепи и может представлять собой углеродную бумагу, углеродное волокно, углеродный войлок, углеродную ткань, металлическую пену, металлическую тонкую пленку или их сочетание, а также может использоваться платиновый катализатор. В случае катализатора, помимо платинового катализатора, также можно использовать все другие катализаторы, которые обычно применимы в качестве катализатора реакции выделения водорода (РВВ), такие как катализаторы на основе углерода, комплексные катализаторы на основе углерода-металла и перовскитные оксидные катализаторы, и тому подобные. В катодном блоке 110 образованы первый впуск 112 и первый выпуск 113, которые оба сообщаются с первым приемным пространством 111. Первый впуск 112 расположен в нижней части первого приемного пространства 111 так, что он располагается ниже водной поверхности первого водного раствора 115. Первый выпуск 113 расположен в верхней части первого приемного пространства 111 так, что он располагается над водной поверхностью первого водного раствора 115. Через первый впуск 112 диоксид углерода, используемый в качестве топлива в реакционном процессе, вводится в первое приемное пространство 111, а при необходимости, также может вводиться первый водный раствор 115. Через первый выпуск 113 полученный в реакционном процессе газ выпускают наружу. Хотя это не показано, предусмотрен клапан или т.п., так что впуск 112 и выпуск 113 могут выборочно и своевременно открываться и закрываться клапаном или т.п. во время загрузки и реакции. В катодном блоке 110 во время реакционного процесса происходит реакция элюирования диоксида углерода.

[0026] Анодный блок 150 включает второй водный раствор 155, содержащийся во втором приемном пространстве 151, и анод 158, по меньшей мере частично погруженный во второй водный раствор 155. В качестве второго водного раствора 155 используется щелочной раствор высокой концентрации, и можно использовать, например, 1 M KOH или 6 M KOH. Анод 158 представляет собой металлический электрод для образования электрической цепи, и в одном варианте осуществления описано, что в качестве анода 158 используется цинк (Zn) или алюминий (Al). Кроме того, в качестве анода 158 можно использовать Zn- или Al-содержащий сплав.

[0027] Оба конца солевого мостика (соединительного блока 190) погружены в первый водный раствор 115 и второй водный раствор 155 соответственно. В качестве раствора внутри солевого мостика можно использовать раствор, который обычно используют в качестве раствора внутри солевого мостика, такой как хлорид калия (KCl), хлорид натрия (NaCl) и тому подобные.

[0028] Далее будет подробно описан реакционный процесс системы 100a утилизации диоксида углерода, конфигурация которой была описана выше. На фиг. 1 также показан реакционный процесс системы 100a утилизации диоксида углерода. Обращаясь к фиг. 1, диоксид углерода нагнетается в первый водный раствор 115 через впуск 112, и в катодном блоке 110 происходит химическая реакция элюирования диоксида углерода, как показано на следующей схеме реакции 1.

[0029] То есть в катодном блоке 110 диоксид углерода (CO₂), подаваемый в катодный блок 110, подвергается спонтанной химической реакции с водой (H₂O) первого водного раствора 115 с получением катиона водорода (H⁺) и бикарбоната (HCO₃).

[0030] Кроме того, в катодном блоке 110 происходит электрическая реакция, как показано на следующей схеме реакции 2.

[0031] То есть в катодном блоке 110 катион водорода (H⁺) получает электрон (e) с образованием газообразного водорода (H₂). Образующийся газообразный водород (H₂) выпускают наружу через первый выпуск 113.

[0032] Кроме того, в катодном блоке 110 происходит комплексная реакция образования водорода, как показано на следующей схеме реакции 3.

[0033] Кроме того, когда анод 158 выполнен из цинка (Zn), в анодном блоке 150 происходит реакция окисления, как показано на следующей схеме реакции 4.

[0034] Поэтому, когда анод 158 выполнен из цинка (Zn), схема общей реакции, протекающей в реакционном процессе, такая же, как следующая схема реакции 5.

[0035] Кроме того, когда анод 158 выполнен из алюминия (Al), в анодном блоке 150 происходит реакция окисления, как показано на следующей схеме реакции 6.

[0036] Поэтому, когда анод 158 выполнен из алюминия (Al), схема общей реакции, протекающей в реакционном процессе, такая же, как следующая схема реакции 7.

[0037] В заключение, как показано на схеме реакции 5 и схеме реакции 7, ионы водорода, получаемые при элюировании диоксида углерода в первом водном растворе 115 во время реакции, получают электроны от катода 118 и за счет этого восстанавливаются до газообразного водорода, газообразный водород выпускается через первый выпуск 113, а металлический анод 158 переходит в оксидную форму. По мере протекания реакции в первом водном растворе 115 образуются ионы бикарбоната (HCO₃). Когда раствор внутри солевого мостика содержит ионы натрия (Na⁺) (например, содержит хлорид натрия (NaCl)), ионы натрия диффундируют из солевого мостика для уравновешивания ионов и, таким образом, ионы присутствуют в виде водного раствора гидрокарбоната натрия (NaHCO₃). Затем, высушивая раствор, можно дополнительно получить твердый продукт карбонат натрия в виде пищевой соды.

[0038] На фиг. 2 показана конфигурация системы 100b утилизации диоксида углерода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Обращаясь к фиг. 2, система 100b утилизации диоксида углерода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя соединительный блок 190, выполненный с возможностью соединения катодного блока 110 и анодного блока 150, и соединительный блок 190 расположен между первым приемным пространством и вторым приемным пространством и представляет собой пористый элемент переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора и второго водного раствора и обеспечивает движение ионных материалов, растворенных в водных растворах.

[0039] Система 100b утилизации диоксида углерода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, имеет такую же конфигурацию, которая подробно описана со ссылкой на фиг. 1, за исключением разницы в конструкции описываемого ниже соединительного блока 190. Кроме того, система 100b утилизации диоксида углерода таким же образом использует газообразный диоксид углерода в качестве топлива и создает газообразный водород в реакционном процессе.

[0040] В катодном блоке 110 образованы первый впуск 112, первый выпуск 113 и первое соединительное отверстие 114, которые все сообщаются с первым приемным пространством 111. Первое соединительное отверстие 114 расположено ниже водной поверхности первого водного раствора 115, а соединительный блок 190 соединен с первым соединительным отверстием 114. В катодном блоке 110 во время реакционного процесса происходит реакция элюирования диоксида углерода.

[0041] В анодном блоке 150 образовано второе соединительное отверстие 154, которое сообщается со вторым приемным пространством 151. Второе соединительное отверстие 154 расположено ниже водной поверхности второго водного раствора 155, а соединительный блок 190 соединен со вторым соединительным отверстием 154.

[0042] Соединительный блок 190 согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой пористый элемент переноса ионов и содержит соединительный проход 191, который соединяет катодный блок 110 и анодный блок 150, и элемент 192 переноса ионов, предусмотренный внутри соединительного прохода 191.

[0043] Соединительный проход 191 расположен между первым соединительным отверстием 114, образованным в катодном блоке 110, и вторым соединительным отверстием 154, образованным в анодном блоке 150, и обеспечивает сообщение друг с другом первого приемного пространства 111 катодного блока 110 и второго приемного пространства 151 анодного блока 150. Внутри соединительного прохода 191 предусмотрен элемент 192 переноса ионов.

[0044] Элемент 192 переноса ионов в общем имеет форму диска и предусмотрен в виде, который блокирует внутренность соединительного прохода 191. Элемент 192 переноса ионов из-за наличия пористой структуры обеспечивает перемещение ионов между катодным блоком 110 и анодным блоком 150 и блокирует движение водных растворов 115, 155 между ними. В варианте осуществления описан элемент переноса ионов, выполненный из стекла, но настоящее изобретение этим не ограничено, и также можно использовать другие материалы с пористой структуры, которые включены в объем настоящего изобретения. В варианте осуществления в качестве элемента 192 переноса ионов можно использовать пористое стекло с размером пор 40-90 микрон, соответствующее марке G2, 15-40 микрон, соответствующее марке G3, 5-15 микрон, соответствующее марке G4, или 1-2 микрона, соответствующее марке G5. Поскольку элемент 192 переноса ионов переносит только ионы, можно устранить ионный дисбаланс, возникающий в реакционном процессе.

[0045] Между тем, когда в качестве первого водного раствора 115 и второго водного раствора 155 используется водный раствор гидроксида калия, может быть предусмотрен элемент 192 переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора 115 и второго водного раствора 155 и допускает перемещение ионов калия (K⁺). При наличии такого элемента 192 переноса ионов ионы калия (K⁺), содержащиеся во втором водном растворе 155, перемещаются в первый водный раствор 115 элементом 192 переноса ионов. В качестве элемента 192 переноса ионов можно использовать Nafion, которая представляет собой катионообменную мембрану на основе фтор-каучука, но настоящее изобретение этим не ограничено, и можно использовать любой элемент, который обеспечивает перемещение только ионов калия (K⁺). Поскольку элемент 192 переноса ионов переносит только ионы, может быть устранен ионный дисбаланс, возникающий в процессе выпуска. Когда используется элемент 192 переноса ионов, который обеспечивает перемещение только ионов калия (K⁺), как описано выше, ионы калия (K⁺), содержащиеся во втором водном растворе 155 анодного блока 150, проходят через элемент 192 переноса ионов и во время работы системы 100b утилизации диоксида углерода переходят в первый водный раствор 115 катодного блока 110, так что можно предотвратить изменение концентрации KOH из-за подачи диоксида углерода.

[0046] Кроме того, когда в качестве первого водного раствора 115 и второго водного раствора 155 используется водный раствор гидроксида калия, может быть предусмотрен элемент 192 переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора 115 и второго водного раствора 155 и обеспечивает перемещение гидроксильных ионов (OH). При наличии такого элемента 192 переноса ионов гидроксильные ионы (OH), содержащиеся в первом водном растворе 115, перемещаются во второй водный раствор 155 элементом 192 переноса ионов. В качестве элемента 192 переноса ионов можно использовать Nafion, которая представляет собой катионообменную мембрану на основе фтор-каучука, но настоящее изобретение этим не ограничено, и можно использовать любой элемент, который обеспечивает перемещение только гидроксильных ионов (OH). Поскольку элемент 192 переноса ионов переносит только ионы, может быть устранен ионный дисбаланс, возникающий в процессе выпуска. Когда используется элемент 192 переноса ионов, который обеспечивает перемещение только гидроксильных ионов (OH), как описано выше, гидроксильные ионы (OH), содержащиеся в первом водном растворе 115 катодного блока 110, во время работы системы 100b утилизации диоксида углерода проходят через элемент 192 переноса ионов и перемещаются во второй водный раствор 155 анодного блока 150, так что можно предотвратить изменение концентрации KOH из-за подачи диоксида углерода.

[0047] На фиг. 3 показана конфигурация системы 100c утилизации диоксида углерода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Обращаясь к фиг. 3, система 100c утилизации диоксида углерода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения содержит реакционное пространство 161, которое вмещает водный раствор 162, катод 118, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор 162 в реакционном пространстве 161, и металлический анод 158, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор 162 в реакционном пространстве 161.

[0048] Реакционный сосуд 160 обеспечивает реакционное пространство 161, в котором содержится водный раствор 162 и находятся катод 118 и анод 158. В реакционном сосуде 160 образованы первый впуск 112 и первый выпуск 113, которые оба сообщаются с реакционным пространством 161. Первый впуск 112 расположен в нижней части реакционного пространства 161, так что он располагается ниже водной поверхности водного раствора 162. Первый выпуск 113 расположен в верхней части реакционного пространства 161, так что он располагается над водной поверхностью водного раствора 162. Через первый впуск 112 газообразный диоксид углерода, используемый в качестве топлива в реакционном процессе, вводится в реакционное пространство 161, а при необходимости, также можно вводить водный раствор 162. Через первый выпуск 113 полученный в реакционном процессе газ выпускают наружу. Хотя это не показано, предусмотрен клапан или т.п., так что первый впуск 112 и первый выпуск 113 могут выборочно и своевременно открываться и закрываться клапаном или т.п. во время загрузки и реакции. В реакционном пространстве 161 во время реакционного процесса происходит реакция элюирования диоксида углерода.

[0049] В реакционном пространстве 161 содержится водный раствор 162, и по меньшей мере часть катода 118 и по меньшей мере часть анода 158 погружены в водный раствор 162. В варианте осуществления описано, что в качестве водного раствора 162 используется основный раствор или морская вода. Водный раствор 162 становится слабо кислым из-за газообразного диоксида углерода, введенного через первый впуск 112 в реакционном процессе.

[0050] Катод 118 по меньшей мере частично погружен в водный раствор 162 в реакционном пространстве 161. В реакционном пространстве 161 катод 118 расположен относительно ближе к первому впуску 112, чем анод 158. Катод 118 является электродом для образования электрической цепи и может представлять собой углеродную бумагу, углеродное волокно, углеродный войлок, углеродную ткань, металлическую пену, металлическую тонкую пленку или их сочетание, а также может использоваться платиновый катализатор. В случае катализатора, помимо платинового катализатора, также можно использовать все другие катализаторы, которые обычно применимы в качестве катализатора реакции выделения водорода (РВВ), такие как катализаторы на основе углерода, комплексные катализаторы на основе углерода-металла и перовскитные оксидные катализаторы, и тому подобные. Во время реакции на катоде 118 происходит реакция восстановления и, соответственно, образуется водород.

[0051] Анод 158 по меньшей мере частично погружен в водный раствор 162 в реакционном пространстве 161. В реакционном пространстве 161 анод 158 расположен относительно дальше от первого впуска 112, чем катод 118. Анод 158 представляет собой металлический электрод для образования электрической цепи, и в варианте осуществления описано, что в качестве анода 158 используется ванадий (V), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), медь (Cu), алюминий (Al) или цинк (Zn). Во время реакции из-за слабо кислой среды на аноде 158 происходит реакция окисления.

[0052] Далее будет подробно описан реакционный процесс системы 100c утилизации диоксида углерода, конфигурация которой была описана выше. На фиг. 3 также показан реакционный процесс системы 100c утилизации диоксида углерода. Обращаясь к фиг. 3, газообразный диоксид углерода нагнетается в водный раствор 162 через первый впуск 112, и в реакционном пространстве 161 происходит химическая реакция элюирования диоксида углерода, как показано на следующей схеме реакции 1.

[0053] То есть диоксид углерода (CO₂), подаваемый в реакционное пространство 161, подвергается спонтанной химической реакции с водой (H₂O) водного раствора 162 с получением катиона водорода (H⁺) и бикарбоната (HCO₃).

[0054] Кроме того, на катоде 118 происходит электрическая реакция, как показано на следующей схеме реакции 2.

[0055] То есть катион водорода (H⁺) получает электрон (e) около катода 118 с образованием газообразного водорода (H₂). Образующийся газообразный водород (H₂) выпускают наружу через первый выпуск 113.

[0056] Кроме того, около катода 118 происходит комплексная реакция образования водорода, как показано на следующей схеме реакции 3.

[0057] Кроме того, когда анод 158 выполнен из цинка (Zn), на аноде 158 происходит реакция окисления, как показано на следующей схеме реакции 4.

[0058] Поэтому, когда анод 158 выполнен из цинка (Zn), схема общей реакции, протекающей в реакционном процессе, такая же, как следующая схема реакции 5.

[0059] Кроме того, когда анод 158 выполнен из алюминия (Al), на аноде 158 происходит реакция окисления, как показано на следующей схеме реакции 6.

[0060] Поэтому, когда анод 158 выполнен из алюминия (Al), схема общей реакции, протекающей в реакционном процессе, такая же, как следующая схема реакции 7.

[0061] В заключение, как показано на схеме реакции 5 и схеме реакции 7, ионы водорода, получаемые при элюировании диоксида углерода в водном растворе 162 во время реакции, получают электроны от катода 118 и за счет этого восстанавливаются до газообразного водорода, газообразный водород выпускается через первый выпуск 113, а металлический анод 158 переходит в оксидную форму. По мере протекания реакции в водном растворе 162 образуются ионы бикарбоната (HCO₃).

[0062] На фиг. 4 представлено схематичное изображение, иллюстрирующее реакционный процесс системы утилизации диоксида углерода, содержащей блок 200 обработки диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Обращаясь к фиг. 4, система 100a, 100b, 100c утилизации диоксида углерода может дополнительно включать в себя блок 200 обработки диоксида углерода. Блок 200 обработки диоксида углерода содержит тот же водный раствор, что и первый водный раствор 115 катодного блока 110 или водный раствор 162 реакционного пространства 161. Блок 200 обработки диоксида углерода может содержать: соединительную трубу 210, которая обеспечивает сообщение катодного блока 110 или реакционного пространства 161 и блока 200 обработки диоксида углерода друг с другом; второй впуск 220, через который вводится диоксид углерода; второй выпуск 230, расположенный в его верхней части; и блок 240 циркуляционной подачи диоксида углерода. Поскольку система 100a, 100b, 100c утилизации диоксида углерода такая же, как те, что описаны в вариантах осуществления, показанных на фиг. 1-3, ее подробное описание будет исключено.

[0063] Второй впуск 220 расположен выше соединительной трубы 210 и ниже второго выпуска 230 и водной поверхности первого водного раствора 115 или водного раствора 162 в блоке 200 обработки диоксида углерода. Через второй впуск 220 газообразный диоксид углерода, используемый в качестве топлива в реакционном процессе, вводится в блок 200 обработки диоксида углерода. При необходимости через второй впуск 220 также можно подавать первый водный раствор 115 или водный раствор 162. Второй впуск 220 и первый выпуск 113 могут выборочно и своевременно открываться и закрываться клапаном или т.п. во время реакции.

[0064] Соединительная труба 210 расположена ниже второго впуска 220 в блоке 200 обработки диоксида углерода, и с помощью соединительной трубы 210 блок 200 обработки диоксида углерода сообщается с первым приемным пространством 111 или реакционным пространством 161.

[0065] Второй выпуск 230 расположен выше второго впуска 220 и водной поверхности первого водного раствора 115 или водного раствора 162 в блоке 200 обработки диоксида углерода. Через второй выпуск 230 неионизированный газообразный диоксид углерода, который не был растворен в первом водном растворе 115 или водном растворе 162, выпускается наружу из блока 200 обработки диоксида углерода. Газообразный диоксид углерода, выпущенный через второй выпуск 230, подается ко второму впуску 220 с помощью блока 240 циркуляционной подачи диоксида углерода.

[0066] Блок 240 циркуляционной подачи диоксида углерода выполнен с возможностью циркуляции и повторной подачи газообразного диоксида углерода, выпущенного через второй выпуск 230, во второй впуск 220.

[0067] Соединительная труба 210 соединена с первым впуском 112 первого приемного пространства 111 или реакционного пространства 161. Через соединительную трубу 210 первое приемное пространство 111 или реакционное пространство 161 и блок 200 обработки диоксида углерода сообщаются друг с другом.

[0068] Неионизированный газообразный диоксид углерода, который не был растворен в первом водном растворе 115 или водном растворе 162, из диоксида углерода, введенного в блок 200 обработки диоксида углерода через второй впуск 220, не перемещается в первое приемное пространство 111 или реакционное пространство 161, поднимается и скапливается в пространстве, предусмотренном над водной поверхностью первого водного раствора 115 или водного раствора 162 в блоке 200 обработки диоксида углерода. Затем скопившийся газообразный диоксид углерода выпускается через второй выпуск 230, и выпущенный через второй выпуск 230 газообразный диоксид углерода подается в блок 200 обработки диоксида углерода через второй впуск 220 и рециркулируется блоком 240 циркуляционной подачи диоксида углерода. Кроме того, поскольку неионизированный газообразный диоксид углерода, который не был растворен в первом водном растворе 115 или водном растворе 162, из диоксида углерода, введенного в блок 200 обработки диоксида углерода, не перемещается в первое приемное пространство 111 или реакционное пространство 161, через первый выпуск 113 может быть выпущен водород высокой чистоты, который не смешан с диоксидом углерода.

[0069] На фиг. 5 представлена блок-схема, схематично иллюстрирующая конфигурацию комплексной системы выработки электроэнергии, содержащей систему утилизации диоксида углерода согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Обращаясь к фиг. 5, комплексная система 1000 выработки электроэнергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя: систему 100 утилизации диоксида углерода, которая вырабатывает электроэнергию и производит водород с использованием диоксида углерода в качестве исходного материала в процессе выпуска; углеводородный топливный элемент 300, который вырабатывает электроэнергию и дополнительно производит диоксид углерода с использованием углеводорода в качестве топлива; установку 400 риформинга, которая получает богатый водородом риформированный газ из углеводорода и дополнительно производит диоксид углерода; водородный топливный элемент 500, который вырабатывает электроэнергию с использованием водорода в качестве топлива; первый блок 600 подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи диоксида углерода, произведенного в углеводородном топливном элементе 300, в систему 100 утилизации диоксида углерода; второй блок 700 подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи диоксида углерода, произведенного в установке 400 риформинга, в систему 100 утилизации диоксида углерода; блок 800 подачи водорода, выполненный с возможностью подачи водорода, произведенного в системе 100 утилизации диоксида углерода, в водородный топливный элемент 500; и блок 900 подачи риформированного газа, выполненный с возможностью подачи риформированного газа, полученного в установке 400 риформинга, в водородный топливный элемент 500.

[0070] Углеводородный топливный элемент 300 вырабатывает электроэнергию и производит диоксид углерода в качестве побочного продукта с использованием углеводорода в качестве топлива. Топливным элементом 300 может быть твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). Произведенный в углеводородном топливном элементе 300 диоксид углерода подается в систему 100 утилизации диоксида углерода первым блоком 600 подачи диоксида углерода. Углеводородом, который является топливом углеводородного топливного элемента 300, может быть любой из метана (CH₄), этана (C₂H₆), пропана (C₃H₈), бутана (C₄H₁₀), гексана (C₆H₁₄), гептана (C₇H₁₆), октана (C₈H₁₈), нонана (C₉H₂₀) и декана (C₁₀H₂₂).

[0071] Установка 400 риформинга получает богатый водородом риформированный газ из углеводорода и дополнительно производит газообразный диоксид углерода. Углеводородом, подлежащим риформингу с помощью установки 400 риформинга, может быть любой из метана (CH₄), этана (C₂H₆), пропана (C₃H₈), бутана (C₄H₁₀), гексана (C₆H₁₄), гептана (C₇H₁₆), октана (C₈H₁₈), нонана (C₉H₂₀) и декана (C₁₀H₂₂), а предпочтителен тот же самый, который использован в качестве топлива углеводородного топливного элемента 300. В одном варианте осуществления установка 400 риформинга описана как установка риформинга метана и водяного пара, которая производит водород (H₂) посредством реакции преобразования метана (CH₄) и водяного пара (H₂O).

[0072] Установка 400 риформинга метана и водяного пара занимает существенную часть процесса получения водорода из-за преимуществ небольших производственных затрат и обеспечения возможности массового производства. Следующие схема реакции 8 и схема реакции 9 относятся к реакции риформинга в установке 400 риформинга метана и водяного пара.

[0073] То есть метан и водяной пар можно подвергнуть химической реакции для получения монооксида углерода (CO) и водорода, а после этого монооксид углерода и водяной пар можно подвергнуть химической реакции для получения в итоге водорода. Водород, полученный в установке 400 риформинга метана и водяного пара, подается в качестве топлива водородного топливного элемента 500 блоком 900 подачи риформированного газа.

[0074] Хотя установка 400 риформинга метана и водяного пара имеет много описанных выше преимуществ, как показано на схеме реакции 8 и схеме реакции 9, для протекания процесса требуется подавать водяной пар извне, а при получении водорода в качестве побочного продукта неизбежно вырабатывается диоксид углерода, который является основной причиной глобального потепления. Однако в случае настоящего изобретения диоксид углерода, образующийся в установке 400 риформинга метана и водяного пара, не выпускается в атмосферу или не передается на отдельный процесс улавливания и хранения диоксида углерода, а передается в систему 100 утилизации диоксида углерода вторым блоком 700 подачи диоксида углерода для работы системы 100 утилизации диоксида углерода. Следовательно, можно не только решить проблему образования диоксида углерода, который является неизбежным злом при работе установки 400 риформинга метана и водяного пара, но и можно исключить избыточный процесс за счет создания системы, в которой система 100 утилизации диоксида углерода и установка 400 риформинга метана и водяного пара являются связанными. Поскольку установка 400 риформинга метана и водяного пара является известной технологией, ее подробное описание будет исключено.

[0075] Водородный топливный элемент 500 производит воду за счет химической реакции водорода и кислорода, а также вырабатывает электроэнергию. В одном варианте осуществления описан водородный топливный элемент 500 в виде твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Несмотря на наличие многих преимуществ с экологической точки зрения, водородному топливному элементу 500 требуется принимать водород, полученный в установке 400 риформинга метана и водяного пара и т.п. Однако, в случае настоящего изобретения, поскольку водородный топливный элемент 500 установлен в виде единой системы с системой 100 утилизации диоксида углерода, водородный топливный элемент 500 может принимать в качестве топлива водород, выделяющийся в процессе выпуска из системы 100 утилизации диоксида углерода, а значит, можно значительно улучшить эффективность.

[0076] Первый блок 600 подачи диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, который образуется в углеводородном топливном элементе 300, в качестве исходного материала для получения водорода в систему 100 утилизации диоксида углерода.

[0077] Второй блок 700 подачи диоксида углерода выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, который образуется в качестве побочного продукта в установке 400 риформинга, в качестве исходного материала для получения водорода в систему 100 утилизации диоксида углерода.

[0078] Блок 800 подачи водорода выполнен с возможностью подачи газообразного водорода, который образуется в качестве побочного продукта в процессе выпуска из системы 100 утилизации диоксида углерода, в качестве топлива водородного топливного элемента 500.

[0079] Блок 900 подачи риформированного газа выполнен с возможностью подачи богатого водородом риформированного газа, который получен в установке 400 риформинга, в качестве топлива водородного топливного элемента 500.

[0080] В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг. 5, комплексная система 1000 выработки электроэнергии описана имеющей конфигурацию, в которой водород, образовавшийся в системе 100 утилизации диоксида углерода, подается в топливный элемент 500, но это всего лишь один вариант осуществления настоящего изобретения. Помимо топливного элемента, такой водород можно подавать в различные другие устройства, которые используют водород, и это также попадает в объем настоящего изобретения.

[0081] Кроме того, в варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг. 5, комплексная система 1000 выработки электроэнергии описана включающей установку 400 риформинга, но установки 400 риформинга может не быть, и это также попадает в объем настоящего изобретения.

[0082] Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничено ими. Понятно, что можно проделать различные модификации без отклонения от объема и сути настоящего изобретения. Поэтому специалистам в данной области будет понятно, что эти модификации также попадают в объем настоящего изобретения.

[0083] В соответствии с системой утилизации диоксида углерода, использующей диоксид углерода в качестве топлива, и содержащей ее комплексной системой выработки электроэнергии согласно вариантам осуществления настоящего изобретения можно удалять диоксид углерода и можно получать водород и гидрокарбонат натрия. Поэтому систему утилизации диоксида углерода и комплексную систему выработки электроэнергии можно применять в установке улавливания диоксида углерода, генераторе водорода, комплексном генераторе электроэнергии и т.п.

Изобретение относится к системе утилизации диоксида углерода и содержащей ее комплексной системе выработки электроэнергии. Система утилизации диоксида углерода способна на повторную загрузку и проведение реакций. Система включает в себя: катодный блок, снабженный первым водным раствором, помещенным в первое приемное пространство, и катодом, по меньшей мере часть которого погружена в первый водный раствор; анодный блок, снабженный щелочным вторым водным раствором, помещенным во второе приемное пространство, и металлическим анодом, по меньшей мере часть которого погружена во второй водный раствор; и соединительный блок, снабженный соединительным каналом, соединяющим первое и второе приемные пространства с открытым сообщением, и пористым элементом переноса ионов, расположенным в соединительном канале, для блокировки движения первого и второго водных растворов, но обеспечения перемещения ионов. Технический результат направлен на утилизацию диоксида углерода, являющегося парниковым газом, посредством спонтанной электрохимической реакции без использования отдельного источника питания, а также на способность системы производить водород высокой чистоты, который представляет собой экологически чистое топливо. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система утилизации диоксида углерода, содержащая:

катодный блок, включающий в себя первое приемное пространство, первый водный раствор и катод, по меньшей мере частично погруженный в первый водный раствор;

анодный блок, включающий в себя второе приемное пространство, второй водный раствор, который является основным, и металлический анод, по меньшей мере частично погруженный во второй водный раствор; и

соединительный блок, выполненный с возможностью соединения катодного блока и анодного блока,

причем диоксид углерода, введенный в первый водный раствор, улавливается в виде иона бикарбоната и образует ион водорода, а ион водорода реагирует с электроном катода с получением водорода,

при этом катодный блок содержит первый выпуск, выполненный с возможностью выпускания полученного водорода, и первый выпуск расположен над водной поверхностью первого водного раствора.

2. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, в которой анод выполнен из алюминия (Al) или цинка (Zn).

3. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, в которой соединительный блок представляет собой солевой мостик.

4. Система утилизации диоксида углерода по п. 3, в которой раствор внутри солевого мостика содержит ионы натрия.

5. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, в которой соединительный блок расположен между первым приемным пространством и вторым приемным пространством и представляет собой пористый элемент переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора и второго водного раствора и обеспечивает перемещение ионов.

6. Система утилизации диоксида углерода по п. 5, в которой элемент переноса ионов выполнен из стекла.

7. Система утилизации диоксида углерода по п. 5, в которой пора, образованная в элементе переноса ионов, имеет размер 40-90 микрон, 15-40 микрон, 5-15 микрон или 1-2 микрона.

8. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, в которой первый водный раствор и второй водный раствор представляют собой водные растворы гидроксида калия, а соединительный блок расположен между первым приемным пространством и вторым приемным пространством и представляет собой элемент переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора и второго водного раствора и обеспечивает перемещение ионов калия.

9. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, в которой первый водный раствор и второй водный раствор представляют собой водные растворы гидроксида калия, а соединительный блок расположен между первым приемным пространством и вторым приемным пространством и представляет собой элемент переноса ионов, который блокирует движение первого водного раствора и второго водного раствора и обеспечивает перемещение гидроксильных ионов.

10. Система утилизации диоксида углерода по п. 1, дополнительно содержащая блок обработки диоксида углерода, сообщающийся с первым приемным пространством и первым водным раствором и включающий первую соединительную трубу, причем блок обработки диоксида углерода не позволяет подавать неионизированный диоксид углерода из вводимого диоксида углерода в катодный блок.

11. Система утилизации диоксида углерода по п. 10, в которой блок обработки диоксида углерода позволяет отделять неионизированный диоксид углерода с использованием разницы удельного веса с первым водным раствором в блоке обработки диоксида углерода.

12. Система утилизации диоксида углерода по п. 10, в которой блок обработки диоксида углерода позволяет накапливать неионизированный диоксид углерода над водной поверхностью первого водного раствора в блоке обработки диоксида углерода.

13. Система утилизации диоксида углерода по п. 10, в которой блок обработки диоксида углерода содержит впуск, расположенный ниже водной поверхности первого водного раствора в блоке обработки диоксида углерода и выполненный с возможностью введения диоксида углерода, а первая соединительная труба расположена ниже впуска.

14. Система утилизации диоксида углерода по п. 10, в которой блок обработки диоксида углерода содержит второй выпуск, расположенный над водной поверхностью первого водного раствора в блоке обработки диоксида углерода и выполненный с возможностью выпускания неионизированного диоксида углерода.

15. Система утилизации диоксида углерода по п. 10, в которой блок обработки диоксида углерода дополнительно содержит блок циркуляционной подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи неионизированного диоксида углерода, отделенного от первого водного раствора первого приемного пространства, в первый водный раствор в блоке обработки диоксида углерода.

16. Система утилизации диоксида углерода, содержащая:

реакционное пространство, в котором находится водный раствор;

катод, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор в реакционном пространстве; и

металлический анод, по меньшей мере частично погруженный в водный раствор в реакционном пространстве,

причем диоксид углерода, введенный в водный раствор, улавливается в виде иона бикарбоната и образует ион водорода, а ион водорода реагирует с электроном катода с получением водорода,

при этом реакционное пространство содержит первый выпуск, выполненный с возможностью выпускания полученного водорода, и первый выпуск расположен над водной поверхностью водного раствора.

17. Система утилизации диоксида углерода по п. 16, в которой анод выполнен из ванадия (V), хрома (Cr), марганца (Mn), железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), меди (Cu), алюминия (Al) или цинка (Zn).

18. Система утилизации диоксида углерода по п. 16, дополнительно содержащая блок обработки диоксида углерода, сообщающийся с реакционным пространством и водным раствором и включающий первую соединительную трубу, причем блок обработки диоксида углерода не позволяет подавать неионизированный диоксид углерода из вводимого диоксида углерода в реакционное пространство.

19. Система утилизации диоксида углерода по п. 18, в которой блок обработки диоксида углерода позволяет отделять неионизированный диоксид углерода с использованием разницы удельного веса с водным раствором в блоке обработки диоксида углерода.

20. Система утилизации диоксида углерода по п. 18, в которой блок обработки диоксида углерода позволяет накапливать неионизированный диоксид углерода над водной поверхностью водного раствора в блоке обработки диоксида углерода.

21. Система утилизации диоксида углерода по п. 18, в которой блок обработки диоксида углерода содержит впуск, расположенный ниже водной поверхности водного раствора в блоке обработки диоксида углерода и выполненный с возможностью введения диоксида углерода, а первая соединительная труба расположена ниже впуска.

22. Система утилизации диоксида углерода по п. 18, в которой блок обработки диоксида углерода содержит второй выпуск, расположенный над водной поверхностью водного раствора в блоке обработки диоксида углерода и выполненный с возможностью выпускания неионизированного диоксида углерода.

23. Система утилизации диоксида углерода по п. 18, в которой блок обработки диоксида углерода дополнительно содержит блок циркуляционной подачи диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи неионизированного диоксида углерода, отделенного от водного раствора реакционного пространства, в водный раствор в блоке обработки диоксида углерода.

24. Комплексная система выработки электроэнергии, содержащая:

систему утилизации диоксида углерода по любому из пп. 1-23; и

углеводородный топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию и производит диоксид углерода в качестве побочного продукта с использованием углеводорода в качестве топлива,

причем система утилизации диоксида углерода принимает диоксид углерода, произведенный в углеводородном топливном элементе, для получения водорода и иона бикарбоната.

25. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 24, дополнительно содержащая использующее водород устройство, которое принимает водород, полученный в системе утилизации диоксида углерода.

26. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 25, дополнительно содержащая установку риформинга, которая получает богатый водородом риформированный газ из углеводорода и дополнительно производит диоксид углерода, причем риформированный газ подается в использующее водород устройство, а произведенный в установке риформинга диоксид углерода подается в систему утилизации диоксида углерода.

27. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 26, причем установка риформинга представляет собой установку риформинга метана и водяного пара, которая получает водород посредством реакции преобразования метана (CH₄) и водяного пара (H₂O).

28. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 25, в которой использующее водород устройство представляет собой водородный топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию с использованием водорода в качестве топлива.

29. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 28, в которой водородный топливный элемент представляет собой твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ).

30. Комплексная система выработки электроэнергии по п. 24, в которой углеводородный топливный элемент представляет собой твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ).