NL8801797A - Brandstofcel met gesmolten carbonaat en werkwijze voor de regeling van de werking daarvan. - Google Patents

Description

celprestatie achteruit gaat.

De methode voor de regeling van de werktemperatuur van de cel is gebaseerd op het verschijnsel, dat een stijging in de werktemperatuur van de cel een toename van de diffusie-snelheid van elektrolytionen en reaktiegassen veroorzaakt, waardoor de soortelijke weerstand van de cel wordt verminderd, de bevochtigbaarheid van de elektroden met de elektrolyt wordt veranderd, de omstandigheden in het elektrode-elektrolyt-grensgebied worden gewijzigd en in vele gevallen een toename van de elektrochemische reaktiesnelheid wordt veroorzaakt. Wanneer de temperatuur van de cel echter te hoog is, worden de corrosie van de celbestanddelen, het kruipen of sinteren van de elektroden en de verdamping van de elektrolytversneld , waardoor de levensduur van de cel verkort wordt.

Bij de methode voor de regeling van de partiële druk van het reaktiegas kan de celprestatie vergroot worden door de partiële druk van H2 en/of CO in de brandstofgassen en van 02 en/of C02 in het oxiderende gas te verhogen. Het is echter zeer moeilijk om naar keuze de partiële druk van de reaktiegassen te regelen, in het bijzonder bij de brandstofcel van het gesmolten zout-type voor de levering van stroom, die een kombinatie is van een stoomcentrale of steenkoolvergassings-eenheideneen brandstof cel. Hoewel de partiële druk van de reaktiegassen verhoogd kan worden door de partiële druk van de stoom door gas-vloeistof-scheiding te verlagen, bestaat er een grens, aangezien de neerslag van koolstof in de cel voorkomen moet worden. Bij een kommerciële krachtinstallatie met grote kapaciteit is het niet praktisch om onafhankelijk naast de stoornomzettingseenheid en de steenkoolvergassingseenheid een bron voor H2, een bron voor 02 en een bron voor C02 te installeren.

Zoals hiervoor beschreven kunnen de methode voor de regeling van de reaktiegasdruk, de methode voor de regeling van de celtemperatuur, de methode voor de regeling van de partiële reaktiegasdruk en andere gebruikelijke methoden de eigenschappen van de cel niet wezenlijk verbeteren. Hoewel ze de prestatie van de cel tijdelijk verbeteren door verandering van uitwendige faktoren, zal het herstel van uitwendige faktoren in hét beste geval leiden tot verergering, of., zoals dikwijls het geval is, wanneer de zaken fout lopen, tot beschadiging van de cel, waardoor de situatie alleen maar verslechterd wordt.

De onderhavige uitvinding beoogt een krachtcentrale met een brandstofcel met een gesmolten zout te verschaffen, die voorzien is van een middel, dat de eigenschappen van de brandstofcel zelf verbetert en Stabiele produktieeigenschappen met een hoog vermogen gedurende een langere periode waarborgt, tesamen met een werkwijze voor de regeling van een dergelijk middel, waardoor de nadelen van de stand der techniek opgeheven worden.

Om dit oogmerk te bereiken is het zoals eerder besproken noodzakelijk om een voldoende groot rëaktiegebied in de elektroden tot stand te brengen. Meer in het bijzonder is het van zeer groot belang om de toestand van de elektrolyt op de elek-trode-oppervlakken en in het grensgebied tussen de elektroden en het elektrolysubstraat optimaal te maken.

De oorzaken van het falen van een brandstofcel om zijn prestatie te leveren of het rendement tijdens de werking te handhaven kunnen dikwijls toegeschreven worden aan een onjuiste verdeling van de elektrolyt of de plaats van de elektrolyt op de anode of de kathode of niet-gelijkmatige bevochtiging van de elektroden met de elektrolyt.

Men heeft verscheidene proeven uitgevoerd om de verdelings-toestand van de elektrolyt uitwendig door eenvoudige middelen te regelen teneinde de eigenschappen van de cel te verbeteren, en daarbij de volgende feiten gevonden.

Wanneer de uitgangsspanning van een brandstofcel met een gesmolten carbonaat in verloop van de tijd niet stijgt of daalt, kan de uitgangsspanning verhoogd worden door gedurende een tijdje met totale of gedeeltelijke onderbreking van de reaktiegassen of met een verminderde toevoersnelheid van de reaktiegassen te werken. Meer in het bijzonder wordt deze verbetering van de uitgangsspanning bereikt door de toevoer van met waterstof beladen brandstofgas naar de anode gedurende een tijdje te onderbreken of te verminderen of door de toevoer van oxiderend gas Jmet CC^ beladen gas. en/of lucht (of )J naar de kathode gedurende een tijdje te onderbreken of te vermin- deren of door zowel de brandstof als de oxiderende gassen tegelijkertijd gedurende een tijdje te onderbreken of te verminderen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een krachtcentrale met een brandstofcel met een gesmolten zout, die een regelsysteem bevat, dat op de bovengenoemde bevindingen is gebaseerd en het mogelijk maakt om de inrichting op stabiele wijze met een groot rendement gedurende een langere periode te laten werken, en tevens op een bijzondere werkwijze voor het laten werken van dit regelsysteem.

Het effekt van de gastoevoerregeling volgens de onderhavige uitvinding zal nader toegelicht worden in de hierna volgende gedetailleerde beschrijving.

Wanneer men het geval beschouwt, waarin de toevoer van H2 in het brandstofgas voor de anode wordt onderbroken of verminderd, zal de volgende reaktie bij de anode plaatsvinden.

200^" --r 2C02 + 02 + 4e...... (3) 2C0?"+ 2M . 2C0„ + 2M0 + 4e........... (4) 3 -7 <£ (In vergelijking (4) geeft M het in de anode toegepaste metaal aan).

De bovenstaande uitdrukkingen suggereren, dat het cel-systeeml a^^^een zogenaamde zuurstofpomp, aangezien bij de anode gevormd 02 naar de kathode wordt gepompt. Tevens wordt verwacht dat een oxidelaag door de oxidatie van het celmate-riaal M gevormd zal worden.

Wanneer de reaktie bij de anode verandert van (1) en (2) in (3) en (4}, verandert de anodepotentiaal sterk, waarbij elektrolyt wordt verplaatst, de bevochtiging van de elektroden wordt verbeterd, het gebied van de elektrochemische reaktie wordt vergroot en aldus de prestatie van de cel als geheel wordt verbeterd. De vorming van een oxidelaag verbetert eveneens de bevochtigbaarheid van de elektroden, waardoor het gebied van de elektrochemische reaktie wordt verbeterd.

Bij de kathode zal de volgende reaktie plaatsvinden, wanneer de toevoer van oxiderend gas (bijvoorbeeld C02) naar de kathode wordt onderbroken of verminderd.

402 + 4e -— 402 .......... (5) 8 MO + 4e -— 8M + 40~ ______... (6)

Dat wil zeggen, dat de vorming van peroxide of superoxide door de ionisatie van 02 of de reduktie van metaaloxide MO van de elektrode bij de kathode voortschrijdt.'.

Bij het voortschrijden van de reakties (5) en (6) verandert de kathodepotentiaal, waardoor de elektrolyt wordt verplaatst, de bevochtiging van de elektroden wordt gewijzigd en dientengevolge de eigenschappen van de cel als geheel worden verbeterd. De chemische omzetting van het kathodeoppervlak verandert eveneens de bevochtiging van de elektroden, waardoor . het gebied van de elektrochemische reaktie wordt vergroot.

De uitvinders hebben reeds in het geval' van. andere typen, .. van brandstofcellen zoals een methanoVlucht-brandstofcel en fosfoszuur-brandstofcel gevonden, dat. de bevochtiging van de elektroden met elektrolyt veranderd kan worden, door een verandering van de potentiaal ( een bewerking om de poten tiaal één cyclus of meer om te keren) of door een potentiaal Verschil te veroorzaken. Hieruit wordt afgeleid, dat het elektrische osmoseverschijnsel een belangrijke rol bij de regeling van de bevochtiging van de elektroden speelt. Bij de brandstofcel met gesmolten carbonaat volgens de onderhavige uitvinding heeft de gedeeltelijke of volledige onderbreking of vermindering van de toevoer van de reaktiegassen duidelijk meer invloed uitgeoefend op de verbetering van de eigen schappen van de cel dan alleen de potentiaalverandering of toepassing van een potentiaal verschil.

Met grote nadruk moet erop gewezen worden, dat het effekt van de bovengenoemde regeling van de toevoer van het reaktie-gas zelfs nog groter wordt onder een belastingstoestand, dat wil zeggen, wanneer een blok van brandstofcellen of een stapel van blokken onderworpen wordt aan een belastingsstroom.Hoewel de belastingsstroom in dit geval niet beperkend is, wordt de verbetering van de celprestatie zeer. groot, wanneer de belastingsstroom sterk is, ongeacht hoe kort de tijd van de onderbreking of vermindering van de reaktiegastoevoer is. Wanneer de cel bijvoorbeeld sterk belast wordt met een stroom- dichtheid van 150 mA/cm2, vindt het effekt van de verbetering in de grootte-orde van 1 minuut of dergelijke plaats. Bij een stroomdichtheid tot 5Ö mA/cm2 duurt het verscheidene minuten tot verscheidene tientallen minuten om het hetzelfde effekt te bereiken.

Wanneer de belastingsstroom nul bedraagt, dat wil zeggen, wanneer de stroomketen geopend is, wordt het effekt van de regeling van de reaktiegastoevoer minimaal, doch kan het effekt zich voordoen, wanneer de regeling van de reaktiegastoevoer gedurende een lange tijd wordt voortgezet of wanneer de reak-tiegassen verscheidene malen onderbroken worden.

Voor de regeling van de reaktiegastoevoer werd de stroom eerst konstant gehouden. Het is mogelijk om een stroom door de gehele stapel of alleen door een geselekteerd blok, waarvan het rendement verminderd is, te leiden.

Wanneer echter in het geval van een dichte stapel met een groot oppervlak, bijvoorbeeld een oppervlak van 10.000 cm2, de stroomdichtheid ingesteld wordt op 150 mA/cm2, wordt de stroom niet minder dan 1.500 A, hetgeen een konstantie stroomtoevoer met grote kapaciteit vereist. In een ander voorbeeld, waarin een stapel bestaat uit 15 blokken van 40 cellen (of in totaal 600 cellen), zal het regelsysteem om een stroom door alleen een geselekteerd blok te laten gaan, zeer ingewikkeld worden.

Zonder toepassing van een dergelijke konstante belastings-stroombron hebben de uitvinders een proef uitgevoerd om het effekt van de regeling van de reaktiegastoevoer op de eigenschappen van de cel onder een normale belastingsomstandigheid onder toepassing van een" koolstofweerstand onderzocht. Voor de proef werd gebruik gemaakt van een blok van drie cellen met een elektrode-oppervlak van 900 cm2. Wanneer de celspanning bij een stroomdichtheid van 150 mA/cm2 daalde tot 1,8 V, werd de toevoer van waterstofgas naar de anode onderbroken. Zodra de water-stoftoevoer was afgesloten, daalden de celspanning en -stroom scherp. Vervolgens stabiliseerden zowel de spanning als de stroom zich. Na twintig minuten, wanneer de celspanning 0,7 V en de stroomdichtheid tot 50 mA/cm2 waren gestegen, werd de toevoer van H„ opnieuw op gang gebracht. Zowel de celspanning als de stroom stegen plotseling en de celspanning.steeg bij een stroomdichtheid van 150 mA/cm2 tot 2,1 V. Door dezelfde bewerking herhaaldelijk uit te voeren, steeg de celspanning tot 2,3 V en werden de oorspronkelijke celeigenschappen teruggekregen..

Wanneer de celspanning, het rendement, de inwendige weerstand , de reaktiegasdruk, het drukverschil en/of andere aanwijzingen van de uitgangseigenschappen van een krachtcentrale met. een brandstofcel met gesmolten carbonaat van hun instellingen afwijken, of wanneer de polarisatiewaarde van de specifieke cel beneden de ondergrens daalt, houdt een regelsysteem volgens de onderhavige uitvinding gedurende een bepaalde tijd de toevoer van tenminste een van de brandstofgassen of het oxiderende gas beneden het overeenkomstige elektrochemische equivalent van de stroom, die door de stapel cellen of het blok stroomt, en herstelt de toevoer vervolgens. Dit regelsysteem kan het prestatievermogen van de uitgangseigenschappen van de krachtcentrale met brandstofcellén met gesmolten carbonaat gedurende een langere periode stabiel houden.

Korte beschrijving van de tekeningen.

Figuur 1 toont een schema van een brandstofcel met gesmolten carbonaat volgens de onderhavige uitvinding. Zoals weergegeven in figuur 1 bevat de brandstofcel 1 drie blokken van brandstofcellen. Vanzelfsprekend is de uitvinding hiertoe niet beperkt en kan volgens de onderhavige uitvinding de cel 1 de vorm van een stapel of elk ander aantal blokken bezitten. Een spanningsdetektordeel 2 neemt de spanning van elk blok waar en vergelijkt deze met een bepaalde waarde. Een regelaar 3 bestuurt de anode- en kathodegassen en schakelt de belastingskringloop aan en uit. Op het signaal van de spanningsdetektor 2 stuurt de regelaar 3 een signaal naar de schakelaar 4 voor het anode-gas en/of de schakelaar 5 voor het kathodegas om de anode- en/ of kathodegassen te kiezen. Tegelijkertijd wordt de schakelaar 6 van de belastingskringloop overgeschakeld op belasting 8, terwijl de hoofdschakelaar 7 voor de belasting wordt afgescha-keld. Deel 9 is een omzetter om.de gelijkstroom van de brandstofcel om te zetten in wisselstroom voor de gebruiker. Wanneer de spanning van elk blok beneden een instellingswaarde is ge- daald, geeft de regelaar 3 een signaal aan de schakelaar 4 voor anodegas om de toevoer van met waterstof verrijkt gas te veranderen in stikstof en wordt tegelijkertijd de hoofdschakelaar 7 uitgeschakeld en in plaats daarvan de schakelaar 6 van de belastingskringloop aangeschakeld. Dientengevolge wordt de brandstofcel gedwongen om stroom te leveren met een waterstof arm gas. Deze toestand wordt gedurende een willekeurig gekozen tijd van 1 tot 15 minuten gehandhaafd, waarna de schakelaar 4 voor het anodegas bediend wordt om met waterstof verrijkt gas aan de brandstofcel 1 toe te voeren. Wanneer de prestatie van de brandstofcel 1 hersteld is, wordt de schakelaar 6 van de belastingskringloop uitgeschakeld en de hoofdschakelaar 7 opnieuw gesloten.

Hetzelfde effekt kan bereikt worden door bediening van de schakelaar 5 voor het kathodegas om alleen de toevoer van kooldioxidegas naar de brandstofcel of alleen de toevoer van lucht, in plaats van kooldioxidegas, naar de brandstofcel te onderbreken, terwijl de andere bewerkingen hetzelfde zijn als bij de eerderbesproken regeling van de waterstofgastoevoer.

Welke van de drie eerder beschreven methoden gekozen moet worden, kan bepaald worden door een in de regelaar 3 ingebouwde computer volgens een regelprogramma, waarbij het verschil tussen de blokspanning en de instelwaarde en andere verschillende omstandigheden ingesteld worden voor een optimale regeling en werking van de brandstofcel.

De figuur 2, 3 en 4 tonen de verandering van de blokspanning van de brandstofcel, wanneer de aan de anode en kathode toe te voeren reaktiegassen veranderd worden bij het gebruik van het eerder beschreven regelsysteem en komen overeen met de voorkeursuitvoeringsvormen 1, 2 en 3 van de onderhavige uitvinding, die later besproken zullen worden.

Figuur 5 toont een schema van een krachtcentrale met brandstofcellen met gesmolten carbonaat, die voorzien is van een inrichting voor het reformeren met stoom als brandstofgasproducent. Figuur 6 toont een schema van een krachtcentrale net brandstofcellen met gesmolten carbonaat, waarin een steenkool vergasser als brandstofgasproducent wordt toegepast. De apstelling van deze krachtcentrales zal nader beschreven worden in de beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm 4 van de onderhavige uitvinding.

Nadere beschrijving van voorkeursuitvoeringsvormen.

Voorkeursuitvoeringsvorm (1).

Voorkeursuitvoeringsvorm 1 van de onderhavige uitvinding wordt hierna toegelicht onder verwijzing naar het in figuur 1 weergegeven schema van een brandstofcel met gesmolten carbo-naar.

De anode en de kathode werden respectievelijk vervaardigd van poreuze platen van Ni en NiO, en het elektrolytsubstraat werd vervaardigd uit een matrix van fijn LiAlC^-poeder met 2 0 gewichtsprocent A^C^vezels en geïmpregneerd met een mengsel van carbonaten (I^CO^ en K^CO^ 9emengd in een mol-verhouding van 62 tot 38). 15 Cellen met een effektief oppervlak van 100 cm2 werden op elkaar geplaatst ter vorming van een brandstofcel van het inwendige samengestelde type. De cel werd verdeeld in 3 blokken van elk 5 cellen om de spanning van elk blok te meten. De cel werd op een leidingennetwerk aangesloten en werd voor de stroomopwekking op 650° C verhit.

Door reformeren van aardgas verkregen gassen werden toegevoerd aan de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas (volurneverhouding 7:3) werd aan de kathode toegevoerd. De brandstofcel werd bij een druk van 3 kg/cm2 vastgeklemd en de stroomdichtheid werd ingesteld op 150 mA/cm2.

Door stroomopwekking onder de bovengenoemde omstandigheden leverde elk blok een uitgangsspanning van ongeveer 2 V zoals weergegeven in figuur 2.

Men liet de brandstofcel ongeveer 250 uur achterelkaar werken, waarbij geen opmerkelijke stijging van de spanning werd waargenomen. Vervolgens werd de gasvoeding van de anode van met waterstof verrijkt gas omgeschakeld op stikstofgas en liet men de brandstofcel gedurende ongeveer 10 minuten met de belas-tingskringloop aangesloten werken.

De spanning van elk blok daalde aanzienlijk. Hierna werd het anodegas van stikstofgas veranderd in met waterstof verrijkt gas met de belasting aangesloten, De uitgangsspanning van elk blok steeg tot ongeveer 4 V zoals weergegeven in figuur 2. In figuur 2 toont de met gemerkte pijl de bovenstaande bewerking. Na verloop van tijd begon de uitgangsspanning opnieuw gaandeweg te dalen. Opnieuw werd de voeding van het met waterstof verrijkte gas overgeschakeld op stikstofgas om de eerder uiteengezette bewerking ter regeling van de reaktie-gasvoeding te herhalen en werd de uitgangsspanning opnieuw zoals aangegeven door de met ^ gemerkte pijl teruggekregen.

Een derde regeling van de reaktievoeding is aangegeven door de met gemerkte pijl.

Gevonden werd, dat wanneer de spanning van elk blok daalde, dat wil zeggen, wanneer de prestatie van de brandstofcel achteruit ging, de prestatie van de batterij duidelijk verbeterd kon worden door de batterij gedwongen met een inert gas in plaats van het anode-brandstofgas te laten werken.

Voorkeursuitvoeringsvorm (2).

Dezelfde brandstofcel als toegepast bij voorkeursuitvoeringsvorm Cl) werd vervaardigd en in werking gesteld bij een stroomdichtheid van 150 mA/cm2. De aanvankelijke uitgangsspanning van elk blok bedroeg ongeveer 2,2 V. De stroomlevering werd gedurendfe ongeveer 150 uur voortgezet. De blokspanning steeg tot ongeveer 2,5 V. Van de kathodegassen (lucht en kool-dioxidegas) onderbrak men alleen het kooldioxidegas en liet men de brandstofcel gedurende ongeveer 3 minuten met alleen lucht aan de kathode toegevoerd werken. Zodra het kooldioxidegas onderbroken werd, daalde de uitgangsspanning van elk blok. Vervolgens werd kooldioxidegas opnieuw aan de kathode toegevoerd en vond een scherpe toename van de blokspanning plaats. Figuur 3 toont, hoe de blokspanning door deze bewerkingen ter regeling van de reaktiegasvoeding veranderde. De met gemerkte pijl in figuur 3 geeft de eerste regeling van de reaktiegas voeding aan. De werking van de brandstofcel werd voortgezet bij 150 mA/cm2 en de uitgangsspanning daalde geleidelijk. Daarbij werden dezelfde bewerkingen als in het voorafgaande herhaald en werd de blokspanning opnieuw teruggekregen zoals aangegeven door de met C2 gemerkte pijl. Een verdere werking bij 150 mA/ cm2 werd gevolgd met een derde regeling van de reaktiegasvoe-ding, die aangegeven is door de pijl C^.

Voorkeursuitvoeringsvorm (3).

Dezelfde brandstofcel als toegepast bij voorkeursuitvoeringsvorm (1) werd vervaardigd en in werking gesteld met een stroomdichtheid van 150 mA/cm2. De aanvankelijke uitgangsspan-ning van elk blok bedroeg ongeveer 2,2 V. De werking werd gedurende ongeveer 150 uur voortgezet, waarna men de cel gedurende ongeveer 3 minuten met alleen toevoer van kooldioxidegas aan de kathode en onderbreking van de luchttoevoer liet werken.

Zodra de luchttoevoer onderbroken werd, daalde de uitgangs-spanning van elk blok. Wanneer de luchttoevoer naar de kathode hervat werd met de belasting aangesloten, steeg de spanning van elk blok tot ongeveer 3,2 V, zoals aangegeven door de pijl 0^. Wanneer de blokspanning tijdens het werken bij een stroomdichtheid van 150 mA/cm2 daalde, werden dezelfde bewerkingen ter regeling van. de reaktiegasvoeding nog 2 maal herhaald, zoals weergegeven door de pijlen 02 en 0^, onder voortzetting van de stroomopwekking. Bij elke regeling van de reak-tievoeding werd de blokspanning hersteld. De maximale uitgangs-spanning bedroeg ongeveer 3,7 V.

Volgens dezelfde methode als bij de voorkeursuitvoeringsvorm (2) werd alleen het kooldioxodegas gedurende ongeveer 3 minuten onderbroken, waarna de toevoer naar de kathode werd hervat. Dientengevolge steeg de blokspanning boven 4 V, zoals in figuur 4 weergegeven door pijl C^.

Voorkeursuitvoeringsvorm (4).

Figuur 5 toont een krachtcentrale met brandstofcellen met gesmolten carbonaat onder toepassing van een inrichting voor het reformeren met stoom 10 als brandstofgasproducent. Onder de normale werkomstandigheden wordt brandstofgas via leidingen 12 en 13 uit het reformeergedeelte 10 aan de anode van de brandstofcel toegevoerd. Anderzijds wordt het anode-afvoergas uit de brandstofcel 11 tesamen met een bepaalde hoeveelheid lucht via leiding 14 in de oven van de reformeerinrichting met stoom 10 toegevoerd en verbrand om de reformeerinrichting te verhitten. Figuur 5 toont een basisopstelling van een geen-vervuiling veroorzakende krachtcentrale met brandstofcellen onder toepassing van een inrichting voor het reformeren met stoom.

Wanneer het anode-afvoergas alleen niet voldoende is als warmtebron voor de reformeerinrichting, wordt vloeibaar gemaakt aardgas als hulpbrandstof toegepast. Het afvalgas, dat kool- dioxidegas bevat, wordt uit de oven van de reformeerinrichting I met stoom 10 door leidingen 15, 16 en 17 naar de kathode van de brandstofcel geleid, en lucht wordt eveneens via leiding 17 naar de kathode van de brandstofcel gevoerd. De toevoersnelheden - van deze reaktiegassen worden afhankelijk van de vereisten van de belastingsstroom, de gebruiksfaktor van het reaktiegas en andere omstandigheden van de krachtlevering geregeld. Het kathode-afvoergas uit de brandstofcel 11 wordt via leiding 18 in de warmte-terugwineenheid 19 geleid, waarin het aan de ,wordt eenheid 19 toegevoerd watert verhit ter vorming van stoom.

Het kathode-afvoergas verlaat dan de eenheid 19 en wordt door leiding 20 in de atmosfeer geloosd. In de feitelijke inrichting wordt dikwijls een gedeelte van het kathode-afvoergas in een compressor geleid en als koelgas voor de brandstofcel 11 teruggevoerd .

Gewoonlijk wordt het in een turbinecompressor voor de samenpersing van lucht of voor krachtopwekking geleid. In figuur 5 zijn deze bijbehorende energie-terugwinsystemen echter weggelaten. Gewoonlijk wordt een afvalwarmte-terugwineenheid 19 benedenstrooms van deze energie-terugwinsystemen geïnstalleerd. De in de afvalwarmte-terugwineenheid 19 gevormde stoom wordt via leidingen 21 en 22 naar de inrichting voor het reformeren met stoom geleid. Anderzijds wordt vloeibaar gemaakt aardgas als brandstofgas met een bepaalde hoeveelheid stoom gemengd en via leiding 22 naar de inrichting voor het reformeren met stoom 10 geleid. Waterstof-bevattend gas, dat gevormd wordt door het reformeren van vloeibaar gemaakt aardgas met behulp van de inrichting voor het reformeren met stoom wordt aan de anode toegevoerd.

Door de brandstofcel 11 geleverde gelijkstroom wordt door de omzetter 13 omgezet in wisselstroom en aan het elektriciteitsnet toegevoerd.

De celspanning, het uitgangsvermogen en de inwendige weerstand zijn typerende aanwijzingen voor de prestatietoe-stand van een brandstofcel-krachtcentrale. Het is tevens moge lijk om als aanwijzing gebruik te maken van de polarisatie-waarde van een bepaalde cel. In dat geval levert een vergelijking van de anodepolarisatie met de kathodepolarisatie doeltreffende gegevens voor de bepaling, of brandstofgas of oxiderend gas verminderd of onderbroken moet worden. Het gebruik van de polarisatiewaarde als aanwijzing heeft een nadeel, dat een groot aantal detektie-aansluitingen noodzakelijk zijn.

Andere beschikbare aanwijzingen zijn de kathodedruk, de anode-druk, het drukverschil tussen anode en kathode en het verschil tussen de inwendige druk'van het bellenvat en de reaktiegas-drukken.

Bijvoorbeeld wordt de celspanning als aanwijzing gekozen en wordt 70% van de vastgestelde celspanning als ondergrens genomen en in een computer opgeslagen. De instelling kan naar wens vrij veranderd worden. De aansluitingen ter bepaling van de celspanning kunnen aangebracht worden voor elk blok van cellen of Voor elk van de stapels, wanneer de krachtinstalla-tie een groter kapaciteit bezit. Het systeem voor de regeling van de voeding Van het. reaktiegas wordt bij voorkeur voor elk dergelijk blok of elke stapel geïnstalleerd.

Wanneer de celspanning van een blok of een Stapel beneden de instelwaarde is gedaald, wordt het systeem voor de regeling van de reaktiegasvoeding in werking gesteld om de voeding van brandstofgas naar de anode en/of oxiderend gas naar de kathode (lucht of kooldioxidegas) gedurende een tijdje te onderbreken of te verminderen en vervolgens opnieuw in te stellen. De typen van de te verminderen of te onderbreken reaktiegassen en de duur van de vermindering of onderbreking kunnen naar wens ingesteld in de computer opgeslagen worden. De omstandigheden, waaronder de reaktiegasvoeding onderbroken of verminderd moet worden, kunnen eveneens naar keuze ingesteld en veranderd worden . ·

Hoewel het praktisch is om de totale onderbreking of vermindering van de voeding van brandstofgas of het met kooldioxide beladen gas in het oxiderende gas verscheidene malen te herhalen, is het het. meest doelmatig om eerst de toevoer van brandstofgas te verminderen of te onderbreken en te herstellen, de toevoer van met kooldioxide beladen gas in het oxiderende gas te verminderen of te onderbreken en te herstellen en vervolgens de toevoer van lucht te verminderen of te onderbreken en te herstellen. Men bepaalt het reaktiegas, waarvan de regeling de grootste winst van de celspanning levert, en herhaalt de vermindering of onderbreking van dat gas, tot geen verdere verbetering van de celspanning wordt bereikt.

Vanzelfsprekend zijn de bovenstaande regeltrappen slechts een voorbeeld en kunnen deze met betrekking tot het herstel van de celspanning ingesteld en geprogrammeerd worden. De duur van de vermindering of onderbreking van de voeding kan eveneens willekeurig ingesteld worden, doch zal gewoonlijk in het bereik van 1 tot 3 minuten liggen.

Bij de hiervoor uiteengezette regelbewerkingen wordt de toevoer van een gekozen reaktiegas verminderd of onderbroken, zodat deze geringer zal worden dan het elektrochemische equivalent op basis van de door de cel 11 lopende stroom.

Bijvoorbeeld bedraagt voor een blok met 40 cellen bij een stroom van 1.000 A de elektrochemisch equivalente toevoer van brandstofgas 16,8 NmVuur als som van waterstof (^) en kool-monoxidegas (CO). In het geval van oxiderend gas bedraagt de elektrochemisch equivalente toevoer van kooldioxidegas (CC^) 16,8 Nm3/uur en die van lucht 40 Nm3/uur. De krachtcentrale met brandstofcellen met gesmolten carbonaat volgens de onderhavige uitvinding is voorzien van een regelsysteem, dat de toevoer van de reaktiegassen kan regelen beneden respectievelijke elektrochemisch equivalente waarden, die verband houden met de stroom, die door een brandstofcel 2 loopt in het cellenblok of de cellenstapeling, waarvan de celspanning beneden een bepaalde waarde is gedaald. Bijvoorbeeld wordt de vermindering of onderbreking van de toevoer van brandstofgas uitgevoerd door inwerkingstellen van de regelklep 24 voor de brandstofgas-stroom. Wanneer de instelling van de regeling van de voeding de helft van het elektrochemische equivalent bedraagt, wordt de toevoer van brandstofgas naar de anode van de brandstofcel 11 tot de helft verminderd.

Wanneer de instelwaarde voor de regeling van de voeding nul bedraagt, wordt de toevoer van brandstofgas naar de anode onderbroken. De overmaat brandstofgas wordt via leiding 25 λ «Ml omgeleid. Het omgeleide brandstofgas.'wordt in een afzonderlijk geïnstalleerde verbrandingsoven geleid en het gevormde hete afvalgas wordt toegevoerd aan de turbinegenerator of afvalwarmte- terugwineenheid 19. Het omgeleide brandstofgas kan tevens voor. de winning van warmte of energie in de oven van de inrichting voor het reformeren met stoom 10 geleid worden..

Het is tevens mogelijk om het omgeleide brandstofgas in een brandstofgastank te leiden om de brandstofcel-krachtcentrale opnieuw van brandstof te voorzien..

Een andere methode voor de regeling van de toevoer van brandstofgas is het regelen van de toevoer van vloeibaar gemaakt aardgas en stoom naar.de inrichting voor het reformeren met stoom 10.

Anderzijds kan de regeling van de vermindering of onderbreking Van de toevoer van met kooldioxide beladen gas naar de kathode van de brandstofcel 11 uitgevoerd worden onder toepassing van de regelklep 26 voor de stroom verbrandings-afvoer-gas op dezelfde wijze als met de klep 24 ter regeling van de stroom brandstofgas. De overmaat van het verbrandings-afvalgas wordt via leiding 27 afgevoerd. De overmaat gas kan tevens toegevoerd worden aan de turbinegenerator of de afvalwarmte-terugwineenheid 19 ter winning van warmte of energie evenals in het geval van de overmaat brandstofgas.

De regeling van de vermindering of onderbreking van de toevoer van lucht naar de kathode van de brandstofcel 11 kan tot stand gebracht worden door de klep 28 voor de regeling van de luchtstroom op dezelfde wijze als bij de eerdergenoemde gassen te regelen.

Voorkeursuftvoerfngsvorm (5).

Figuur 6 toont een krachtinstallatie met brandstofcellen met gesmolten carbonaat onder toepassing van een steenkoolvergasser 29 als brandstofgasproducent. Deze inrichting is precies hetzelfde als de in figuur 5 weergegeven inrichting met uitzondering, dat in plaats van de inrichting voor het reformeren met stoom 10 een steenkoolvergasser 29, een gaszuiveringseenheid 30, een verbrandingsoven 31, waarin afvoergas van de anode verbrand wordt voor de toevoer van met kooldioxide beladen gas naar de kathode, en leidingen 17' en 25' voor de toevoer van lucht en overmaat brandstofgas aan de verbrandingsoven 31 zijn geïnstalleerd.

De regeling van de in figuur 6 weergegeven krachtcentrale is precies hetzelfde als uiteengezet aan de hand van figuur 5. Vanzelfsprekend kan de inrichting voorzien zijn van een gas-en/of stoomturbinegenerator voor een verbeterd energierendement van de gehele installatie.

Claims (7)

1. Een brandstofcel met gesmolten carbonaat, waarin een gesmolten carbonaat als elektrolyt, carbonaationen als elektrische geleiders, met waterstof verrijkt gas als reaktiegas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als reaktiegas voor de kathode worden toegepast, en die voorzien is van een regelsysteem, dat de brandstofcel herstelt door de toevoer van tenminste een van de reaktiegassen tot beneden de elektrochemisch equivalente toevoersnelheid te verminderen of te verbreken op basis van de door de brandstofcel lopende stroom, wanneer de kenmerkende aanwijzingen van de brandstofcel beneden bepaalde grenzen zijn gedaald.

2. Een brandstofcel met gesmolten carbonaat, bestaande uit een blok van brandstofcellen of een stapel blokken van brandstofcellen, die elk een gesmolten carbonaat als elektrolyt, carbonaationen als geleiders, met waterstof verrijkt gas als reaktiegas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als reaktiegas voor de kathode toepassen, waarbij elk blok of elke stapel voorzien is van een regelsysteem, dat het blok of de stapel van brandstofcellen herstelt doorj toevoer van tenminste één van de reaktiegassen tot beneden zijn elektrochemisch equivalente toevoersnelheid vermindert of onderbreekt op basis van de door het blok of de stapel brandstofcellen lopende stroom, wanneer de kenmerkende aanwijzingen van het blok of de stapel brandstofcellen beneden bepaalde grenzen zijn gedaald.

3. Een brandstofcel met gesmolten carbonaat, bestaande uit een blok van brandstofcellen of een stapel van-blokken van brandstofcellen, die elk een gesmolten carbonaat als elektrolyt, carbonaationen als geleiders, met waterstof verrijkt gas als reaktiegas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als reaktiegas voor de kathode toepassen, waarbij elk blok of elke stapel voorzien is van een regelsysteem, dat het blok of de stapel brandstofcellen herstelt door de toevoer van het met waterstof verrijkte gas gedurende een tijdje tot beneden zijn elektrochemisch equivalente toevoersnelheid te verminderen of te onderbreken op basis van de door het blok of de stapel brandstofcellen lopende stroom, wanneer de kenmerkende aanwijzingen van het blok of de stapel brandstofcellen beneden bepaalde grenzen zijn gedaald, terwijl de verkregen overmaat van met waterstof verrijkt gas in een verbrandingsoven wordt geleid, waarvan het afvalgas voor de winning van energie naar i een turbinegenerator of afvalwarmte-terugwineenheid wordt gevoerd.

4. Een brandstofcel met gesmolten carbonaat bestaande uit een blok van brandstofcellen of een stapel van blokken van brandstofcellen, die elk een gesmolten carbonaat als elektrolyt, carbonaationen als geleiders, met waterstof verrijkt gas als reaktiegas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als reaktiegas voor de kathode toepassen, waarbij elk blok of elke stapel voorzien is van een regelsysteem, dat het blok of de stapel brandstofcellen herstelt door de toevoer van het mengsel van lucht en kooldioxidegas gedurende een tijdje tot beneden zijn elektrochemisch equivalente toevoersnelheid te verminderen of te onderbreken op basis van de stroom,die door het blok of de stapel brandstofcellen loopt, wanneer kenmerkende aanwijzingen van het blok of de stapel brandstofcellen beneden bepaalde grenzen zijn gedaald, terwijl de verkregen overmaat van het gasmengsel voor de winning van energie naar een turbinegenerator of afvalwarmte-terwugwineenheid wordt geleid.

5. Een systeem voor de regeling van de werking van een brandstofcel met gesmolten carbonaat, die een gesmolten carbonaat als elektrolyt, carbonaationen als elektrische geleiders, met waterstof verrijkt gas als reaktiegas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als een reaktiegas voor de kathode toepast, waarbij het systeem in staat is om de brandstofcel continu te laten werken door gedurende een bepaalde tijd de toevoer van tenminste één van de reaktiegassen volledig te onderbreken of de concentratie van tenminste één van de reaktiegassen te verminderen, waarna de toevoer of concentratie wordt hersteld om de brandstofcel opnieuw te aktiveren.

6. Een systeem voor de regeling van de werking van een blok van brandstofcellen met gesmolten carbonaat of een stapel van blokken van brandstofcellen met gesmolten carbonaat, die elk een gesmolten carbonaat als elektrolyt,carbonaationen als elektrische geleiders, met waterstof verrijkt- gas, als reaktie-gas voor de anode en een mengsel van lucht en kooldioxidegas als reaktiegas voor de kathode gebruiken, waarbij het systeem in staat is om het blok of de stapel brandstofcellen continu te laten werken door gedurende een bepaalde tijd de toevoer van tenminste één van de reaktiegassen volledig te onderbreken of de concentratie van tenminste één van de reaktiegassen te verminderen,waarna de toevoer of concentratie wordt hersteld om het blok of de stapel brandstofcellen opnieuw te aktiveren.

7. Een kombinatie van één of meer brandstofcellen met gesmolten carbonaat, blokken of stapels daarvan en een systeem voor de regeling van de werking volgens conclusie 1-6, waarbij tenminste één van de faktoren spanning, vermogen, inwendige weerstand, reaktiegasdrukken en drukverschillen toegepast wordt als kenmerkende aanwijzing voor de brandstofcel(len), blok(ken) of stapel(s ).