NO173358B - Fremgangsmaate for produksjon av elektrisitet i brenselcelle - Google Patents

Fremgangsmaate for produksjon av elektrisitet i brenselcelle Download PDF

Info

Publication number
NO173358B
NO173358B NO88881324A NO881324A NO173358B NO 173358 B NO173358 B NO 173358B NO 88881324 A NO88881324 A NO 88881324A NO 881324 A NO881324 A NO 881324A NO 173358 B NO173358 B NO 173358B
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
anode
fuel
volume
ppm
molten carbonate
Prior art date
Application number
NO88881324A
Other languages
English (en)
Other versions
NO881324D0 (no
NO173358C (no
NO881324L (no
Inventor
Leonard G Marianowski
Gerald L Anderson
Elias H Camara
Original Assignee
Inst Gas Technology
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 Inst Gas Technology filed Critical Inst Gas Technology
Publication of NO881324D0 publication Critical patent/NO881324D0/no
Publication of NO881324L publication Critical patent/NO881324L/no
Publication of NO173358B publication Critical patent/NO173358B/no
Publication of NO173358C publication Critical patent/NO173358C/no

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M8/141Fuel cells with fused electrolytes the anode and the cathode being gas-permeable electrodes or electrode layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8684Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147Fuel cells with molten carbonates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051Carbonates
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Polyesters Or Polycarbonates (AREA)

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for produksjon av elektrisitet i en brenselcelle med smeltet alkalimetallkarbonat, hvor det anvendes en brenselgass som er forurenset med svovel. Bruk av anoder av kopper eller kopper-legering i brenselceller med smeltet karbonat øker toleransen for H2S-holdig brensel, sammenlignet med nikkelelektroder, og gir derved stabil drift av brenselcellen ved direkte anvendelse av brensel fremstilt ved forgassing av naturlig forekommende organisk karbonmateriale som f.eks. kull.
Anvendelse av brenselceller med smeltet karbonat er vel kjent for konvertering av kjemisk energi direkte til elektrisk energi ved en galvanisk oksydasjonsprosess. Brenselceller med smeltet karbonat har vanligvis to elektroder med sine strøm-samlere, en katode og en anode, en elektrolyttbeholder ("tile") som inneholder alkalimetallkarbonater som danner kontakt med begge elektrodene og et cellekammer som fysisk inneholder cellekomponentene. Under driftsbetingelsene for brenselcellen, vanligvis 500° til 700°C, danner hele elektro-lyttbeholderen, karbonatet og det inerte understøttelses-materialet en pasta, og derfor kalles elektrolyttdiafragma av denne typen "pasta-elektrolytter". Elektrolytten er i direkte kontakt med elektrodene, hvor 3-fase-reaksjonene mellom gass, elektrolytt og elektrode finner sted. Videre detaljer angående konstruksjon og drift av høytemperatur karbonatbrenselceller finnes i US-patenter 4.009.321 og 4.247.604, samt de referansene som det vises til i disse, hvorav alle er medtatt heri ved referanse.
Ett foretrukket brensel for brenselceller med smeltet karbonat er en blanding av gasser som hovedsakelig består av hydrogen, karbondioksyd og karbonmonoksyd som fremstilles ved forgassing av naturlig forekommende karbonmateriale som f.eks. kull, kullskifer eller torv, som yel kjent i teknologien. Gassblandinger som fremstilles ved disse prosessene inneholder vanligvis svovelforurensninger som hydrogensulfid. Når man anvender forgassingsprodukter som brensel, er det pga. deres 10-3 5 volumprosent innhold av karbonmonoksyd, ønskelig å forandre produktene for å øke hydrogeninnholdet i brenselet i brenselcellen. Den opprinnelige katalytiske aktiviteten ved vanngassreaksjonen som omdanner karbonmonoksyd til hydrogen i en kon-vensjonell brenselcelle med smeltet karbonat og nikkelanode eller med en tilsatt nikkelkatalysator for produksjon av ekstra hydrogen, blir raskt forgiftet ved nærvær av svovelholdige forbindelser. Man vet at driftstap i brenselceller med smeltet karbonat skyldes forurensning av den porøse nikkel-anoden med sulfider som kan være tilstede i urene brenselgasser, som kan fremstilles f.eks. ved forgassing av naturlig forekommende organisk karbonmateriale, som f.eks. kull. Se f.eks. "Effeets of H2S on Molten Carbonate Fuel Cells", Robert J. Remick, Progress Report, U.S. Department of Energy Contract DE-AC21-83MC20212; DOE/MC/20212-2039 (DE 86010431) May 1986. Smith, S.W., Kunz, H.R., Vogel, W.M. og Szymanski, S.J., "Effeets of Sulfur on Molten Carbonate Fuel Cells", (foredrag holdt ved møte i Electrochemical Society, Montreal, Kanada, mai 1982), som har beskrevet at cellespenningen forsvant fullstendig i en brenselcelle med smeltet karbonat og med en nikkelanode når 2 ppm hydrogensulfid på volumbasis var tilstede i brenselgassen. Reduksjonen av driftsresultatene for brenselceller med smeltet karbonat til utilfredsstillende nivå ved nærvær av meget små mengder hydrogensulfid i brenselgassen er beskrevet av flere forskere: United Technologies Corporation, "Development of Molten Carbonate Fuel Cell Power Plant Technology", DOE/ET/15440-8 Quarterly Technical Progress Report nr. 8, utført for Department of Energy, under kontrakt-nr. DE-AC01-79ET15440, februar 1983; Vogel, W.M. og Smith, S.W., "The Effect of Sulfur on the Anodic H2 (Ni) Electrode in Fused Li2C03-K2C03 at 650°C", J. Electrochem. Soc. 129 (7) 1441-45 (1982); Tang, T.E., Claar, T.D., og Marianowski, L.G., "Effects of Sulfur-Containing Gases on the Performance of Molten Carbonate Fuel Cells", Interim Report EM-1699 utført for Electric Power Research Institute av Institute of Gas Technology, februar 1981; Sammells, A.F., Nicholson, S.B., og Ang. P.G.P., "Development of Sulfur-Tolerant Components for the Molten Carbonate Fuel Cells", J. Electrochem. Soc. 127, 350 (1980); og Claar, T.D., Marianowski, L.G., og Sammells, A.F., "Development of Sulfur-Tolerant Components for Second-Generation Molten Carbonate Fuel Cells", Interim Report EM-1114, utført for the Electric Power Research Institute av Institute of Gas Technology, juli 1969. Det er gitt en over-sikt over virkningen av svovelholdige forbindelser på brenselceller med smeltet karbonat i Marianowski, L.G., "An Update of the Sulfur Tolerance of Molten Carbonate Fuel Cells", foredrag holdt ved Third Annual Contaminant Control in Hot Coal Derived Gas Streams, Washington, PA., mai 1983. Utgiftene er høye ved
å anvende ren hydrogengass som brensel, og det er likeledes dyrt i tilstrekkelig grad å fjerne svovelholdige forurensninger til et nivå som gir tilfredsstillende drift av brenselcellen med mange konvensjonelle anodematerialer.
US-patent 3.431.146 beskriver en brenselcelle med smeltet karbonat som har en brenselelektrode av nikkel, kobolt eller jern, som utviser i det minste en midlertidig økning i kraftutbyttet ved tilsetning av hydrogensulfid til en hydrogenbrenselgass. I spesielle eksempler beskriver dette patentet hvordan 2,0 volumprosent hydrogensulfid tilsatt til hydrogenbrenselgass øket kraftutbyttet med 50 prosent i 1 minutt mens hydrogensulfid ble tilsatt.
US-patent 4.404.267 beskriver en anodekompositt for brenselceller med smeltet karbonat, der keramiske partikler belagt med kopper eller nikkel/kopperlegering danner en porøs anodekompositt med en bobletrykkbarriere tett opp til elektro-lyttskiven, slik at porene er betydelig mindre enn porene i anoden, og så store at de fylles med elektrolytt. US-patent 4.448.857 beskriver en lignende porøs struktur bestående av belagte keramiske partikler som er egnet til katodekompositt, og US-patenter 4.423.122 og 4.386.960 beskriver en lignende porøs struktur bestående av belagte keramiske partikler for en elektrode for en brenselcelle med smeltet karbonat, og US-patent 4.361.631 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av slike elektroder. US-patent 4.507.262 beskriver en prøve-plate av porøst sintret kopper festet til forsiden av en porøs anode, hvor porene er fylt med metalloksyd ved anvendelse av en organometallisk forløper for å gi en bobletrykkbarriere. US-patent 3.970.474 beskriver elektrokjemisk fremstilling av kraft fra karbonholdig brensel i en celle med en porøs katode av keramisk materiale belagt med kopperoksyd. Kopperoksyd oksygenelektroder har vært anvendt i brenselceller som beskrevet i US-patent 2.83 0.109.
Man har funnet at ytelsen av brenselceller med smeltet karbonat som anvender porøse anoder av nikkel eller nikkel/- krom vil synke med minst 10 mV pr. ppm H2S eller lignende svovelforbindelse i brenselgassen. Den direkte årsaken til kvalitetssenkningen i brenselcellen er ikke kjent. Man har dog funnet at katalysatoren blir forgiftet under driftsbetingelser for brenselcellen, hvor svovelkonsentrasjonen (pH2S/pH2) er mye lavere enn den som er nødvendig for at alt nikkelet skulle gå over til sulfid. Da anoden i en brenselcelle med smeltet karbonat opererer .i omgivelser som er ganske forskjellige fra og spesielle med hensyn til andre katalytiske reaksjoner, kan man ikke gjøre forutsigelser angående svovelforgiftning. Anoder i brenselceller med smeltet karbonat ifølge denne oppfinnelsen med en aktiv katalysator for vanngassreaksjonen be-holder en vesentlig del av sin katalytiske aktivitet for vanngassreaksjonen når man anvender brensel med opptil 10 ppm H2S. Fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelsen som anvender en porøs anode med over 10 vektprosent kopper, tillater bruk av brensel fremstilt direkte ved forgassing av karbonmaterialet, som f.eks. kull, og som inneholder karbonmonoksyd og opptil 10 ppm H2S, og underkastes in situ vanngass-shift og elektrokjemisk reaksjon i den porøse anoden i en igangværende brenselcelle med smeltet karbonat.
Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for forbedret drift av brenselceller med smeltet karbonat som anvender blandinger av brenselgasser fremstilt direkte ved forgassing av naturlig forekommende karbonmaterialer, slik som kullforgassing.
Det er et annet formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for drift av brenselceller med smeltet karbonat som anvender brenselgasser med et karbonmonoksydinn-hold på 10 til 35 volumprosent.
Det er dessuten et annet formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for drift av brenselceller med smeltet karbonat, hvor en betydelig del av karbonmonoksydet som er tilstede i blandingene av brenselgasser omdannes til tilleggshydrogen i nærvær av opptil 10 ppm, på volumbasis, hydrogensulfid ved en indre vanngassreaksjon inne i brenselcellen.
Det er dessuten et annet formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for stabil drift av en brenselcelle med smeltet karbonat i nærvær av opptil 10 ppm H2S i brenselgassen ved å anvende porøse metallanoder som består av kopper-nikkel, kopper-kobolt og blandinger av disse.
Det er et annet formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for intern vanngassreaksjon for øket hydrogenbrensel i en brenselcelle med smeltet karbonat i nærvær av opptil 10 ppm H2S.
Disse hensikter oppnås ved å anvende en porøs metall-anode som består av kopper-nikkel, kopper-kobolt og blandinger av disse.
Oppfinnelsen er kjennetegnet ved det trinn som går ut på å redusere anodepolariseringeri, og som omfatter at brenselgassen som inneholder opptil 10 ppm H2S på volumbasis ledes gjennom en porøs anode som omfatter over 10 vektprosent kopper, idet resten av anoden i hovedsak er et metall valgt fra gruppen som består av nikkel, kobolt eller blandinger av disse.
Et kraftanlegg basert på kullforgassing og brenselcelle med smeltet karbonat kan gi høyere energiomdanningsvirknings-grader og lavere utslipp av kritiske forurensninger enn vanlige kullfyrte kraftanlegg med den rensingen av røykgassene som er nødvendig idag for kontroll av forurensninger. Til-stedeværelsen av meget lave konsentrasjoner av hydrogensulfid i brenselgassen reduserer dog ytelsen av brenselcellen vesentlig. Vi har funnet at ytelsen av brenselceller med smeltet karbonat som anvender anoder med 9 0 vektprosent nikkel og 10 vektprosent krom reduseres med minst 10 mV pr. ppm H2S i brenselgassen.
Driftstemperaturen i brenselcellen med smeltet karbonat tilsvarer temperaturen i den rå brenselgassen fremstilt ved kullforgassing, hvilket gjør det attraktivt å anvende den pro-duserte gassen direkte fra forgasseren. Slik brenselgass inneholder typisk hydrogen, karbonmonoksyd, varierende mengder metan og andre hydrokarboner, og tynnere som karbondioksyd, vann og nitrogen. Hydrogenet er det aktive brenselet i reak-sjonssonen i anoden i brenselcellen med smeltet karbonat. Dessuten kan karbonmonoksydet og hydrokarbonene i brenselgassen også konverteres til elektrisitet ved å omdannes til ytterligere hydrogen i brenselcellen. Utførelsen av vanngass-reaksj onen i anodesonen i en brenselcelle med smeltet karbonat er svært viktig når man anvender brenselgass fremstilt fra naturlig forekommende karbonmaterialer, da opptil 50 prosent av det kjemiske energiinnholdet i en kullbasert brenselgass kan være i form av karbonmonoksyd. Når det anvendes brensel som inneholder karbonmonoksyd i en brenselcelle med smeltet karbonat, er utførelsen av vanngassreaksjonen nødvendig for å opprettholde ytelseskarakteristikkene og driftsspenningen på brenselcellen. Det er høyst ønskelig at vanngassreaksjonen utføres in situ i anodesonen i den igangværende brenselcellen med smeltet karbonat, idet man anvender anodemetallet som katalysator for vanngassreaksjonen.
Det kan beregnes når man bruker en brenselgass fremstilt fra en typisk lavkalori kulltype, at ved lav utnyttelse av brenselgassen på mindre enn 3 0 prosent, vil forskjellen mellom en celle hvor vanngassreaksjonen er i likevekt, sammenlignet med en celle hvor det ikke foregår noen vanngassreaksjon, være mindre enn 10 mV. Ettersom utnyttelsen av brenselgassen nærmer seg 64 prosent, tilsvarende 100 prosent utnyttelse av hydrogen og ingen utnyttelse av karbonmonoksyd, vil dog spenningen på cellen hvor vanngassreaksjonen er forgiftet, synke raskt sammenlignet med cellen hvor vanngassreaksjonen fortsetter i likevekt. Ved 60 prosent utnyttelse av brenselgassen er hydrogeninnholdet i anodegassen fra en slik celle uten vann-gassreaksj on 1,18 prosent, mens hydrogeninnholdet i avgassen fra cellen hvor vanngassreaksjonen løper forblir på 5,84 prosent på grunn av tilleggshydrogenet som produseres fra det karbonmonoksyd som er tilstede i brenselgassblandingen. Disse beregninger forklares mer fullstendig i publikasjonen "Effeets of H2S on Molten Carbonate Fuel Celles" av Remick, R.J. og Anderson, G.L., arbeid utført under kontrakt nr. DE-AC21-83MC 2 0212 av Institute of Gas Technology for U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, januar 1985. Metall i den porøse anoden i en brenselcelle med smeltet karbonat eller et separat katalysatormateriale i den porøse anoden kan tjene som katalysator in situ for vanngassreaksjonen.
Brenselceller med smeltet karbonat som anvender porøse nikkelanoder utviser krafttap og katalysatorforgiftning ved hydrogensulfidkonsentrasjoner i brenselgassen (pH2S/pH2) godt under de som kreves for overføring av størstedelen av metallet til sulfid, som f.eks. 2H2S+3Ni > Ni3S2+2H2. Derfor antas det at sulfiddannelse på overflaten eller svovelabsorpsjon på den metalliske overflaten som foregår ved lavere svovelkonsentra-sjon (pH2S/pH2) må være en grunn til forgiftning av katalysatoren. Under reduserende betingelser på anoden oppfører andre gassformige svovelforbindelser seg på samme måten som H2S.
Stabiliteten av overflatesulfider er signifikant større enn for bulk-sulfider. Dette betyr at signifikant lavere forhold av pH2S/pH2 er nødvendig for å danne overflatesulfider enn det som er nødvendig for å danne bulk-sulfider. (Advances in Catalysis, Vol. 31, utgitt av D.D. Eley, Herman Pines og Paul B. Weisz, Academic Press, 1982, Sulfur Poisoning of Metal,
C. H. Bartholomew, P.K. Agrawal og J.R. Katzer, sidene 166-170). Disse referansene viser at hver bulk- og overflate-sulfiddannelse av nikkel foregår lettere enn for kopper. Sammenligning av forandringene i fri energi under sulfid-dannelsesreaksjonen ved ca. 650°C driftstemperatur for brenselcelle med smeltet karbonat viser:
I hvert tilfelle foregår overflate sulfid-dannelsen lettere enn bulk sulfid-dannelsen. Basert på forandringene i fri energi i tabellen, ser man at bulk sulfid-dannelsen av nikkel kan foregå ved omtrent de samme H2S-konsentrasjoner som kan forår-sake overflate sulfid-dannelse på kopper.
Senkning av den fri energi for dannelsen av overflatesulfider på anodeoverflater under driftsbetingelser for brenselceller med smeltet karbonat resulterer i mindre anodepolarisering når hydrogensulfid eller andre gassformige svovelforbindelser er tilstede. Anvendelse av anoder som inneholder kopper, fører til at overflatene på kopperanodene danner sulfider som er ca. 92 00 ganger mindre stabile enn overflatesulfider på nikkel. Derfor trenges omtrent 9200 ganger konsentrasjonen (pH2S/pH2) i brenselgassen for å danne tilsvarende belegg av sulfidoverflate på en kopperanode, sammenlignet med en nikkelanode. F.eks. under betingelser hvor (pH2S/pH2) for sulfiddannelse på nikkeloverflate er 0,01 ppm H2S er (pH2S/pH2) for sulf iddannelse på kopperoverf late i størrelsesorden 92 ppm H2S. Vi har funnet at kopperanoder er elektrokjemisk tilsvarende til nikkelanoder ved drift av en brenselcelle med smeltet karbonat som anvender svovelfri brenselgass.
Porøse metallanoder i brenselceller med smeltet karbonat som virker som katalysatorer for den elektrokjemiske reak-sjonen og for den interne vanngassreaksjonen med karbonmonoksyd kan fortrinnsvis bestå av en legering, fysisk blanding, belegg eller lignende av effektive katalysatormaterialer for vanngassreaksjonen, bestående av nikkel-kopper eller kobolt-kopper, kopper og blandinger av disse. Anodene i denne oppfinnelsen inneholder minst 10 vektprosent metallisk kopper. Fortrinnsvis er anodemetallene i mengder på 40 til 80 vektprosent kopper med resten hovedsakelig nikkel, kobolt eller blandinger av disse. Ved uttrykket "resten hovedsakelig" mener vi at anodene i denne oppfinnelsen også kan inneholde mindre mengder av andre tilsetninger, som f.eks. stabiliseringsmidler av krom eller zirkonium som beskrevet i US-patent 4.247.604, såvel som aluminium. De elektrokjemiske egenskapene ved smeltet karbonat brenselcelleanoder av slike metaller er tilfredsstillende. Rene kopperanoder kan være tilfredsstillende fra et elektrokjemisk standpunkt med større omdanning av karbonmonoksyd til hydrogen.
Brenselceller med smeltet karbonat kan drives med brenselgasser som inneholder karbonmonoksyd og hydrogensulfid med betydelig bibehold av in situ vanngassreaksjonen som fortsetter i anodesonen med nikkel- eller koboltanodematerialet fungerende som katalysator når fortrinnsvis 40 til 80 vektprosent kopper er fysisk blandet eller legert med nikkel eller kobolt eller er inkorporert på den aktive overflaten av en porøs anode, mens resten er i det vesentlige et metall valgt fra gruppen som består av nikkel, kobolt og blandinger av disse. Bruk av kopper i forbindelse med en mere aktiv katalysator for vanngassreaksjonen, som fortrinnsvis nikkel, i den aktive porøse metallanoden i en brenselcelle med smeltet karbonat som anvender et brensel som inneholder hydrogensulfid, fører til en senkning av den fri energi for dannelsen av overflatesulfider med mindre anodepolarisering på grunn av hydrogensulfidet eller svovelholdige forbindelser. Under drift med brensel som inneholder karbonmonoksyd og hydrogensulfid vil brenselceller med smeltet karbonat ifølge denne oppfinnelsen gi en betydelig in situ omdannelse av karbonmonoksyd som inneholdes i brenselgass i mengder på vanligvis fra 10 til 3 5 volumprosent til hydrogen, og derved gi ekstra hydrogen til brenselgassen for å oppnå cellespenninger på tilstrekkelig driftsnivå. Fremgangsmåten for drift av brenselceller med smeltet karbonat ifølge denne oppfinnelsen tilveiebringer drift av cellen ved under 700°C, og fortrinnsvis 500° til 650°C for omdanning av en betydelig mengde av karbonmonoksydet i brenselgassen til ytterligere hydrogen. Vanligvis kan man opprettholde mer enn 25 volumprosent, og fortrinnsvis mer enn 50 volumprosent, av vanngassreaksjonens likevektproduksjon av ekstrahydrogen som oppnås uten at hydrogensulfid er tilstede, når opptil 5-10 ppm på volumbasis av hydrogensulfid er tilstede i brenselgassen. Da hydrogen forbrukes til å produsere vanndamp ifølge brenselcelleelektrokjemien, kan vanngassreaksjonen som finner sted på eller i selve anoden fremskaffe ytterligere hydrogen for reaksjon, slik at brenselcellen kan oppnå opptil 105-115 prosent hydrogenutnyttelse med brensel som inneholder karbonmonoksydmengder som er tilstede i gassene fra kullforgassingen.
Mens den vanlige oppholdstiden for anodegassfasen i brenselceller med smeltet karbonat er typisk ca. 1 sekund, finner vi det ønskelig å øke oppholdstiden for anodegassfasen til mer enn 2 sekunder, og fortrinnsvis er oppholdstiden for anodegassfasen 2 til 4 sekunder i fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelsen, for å tillate tilstrekkelig tid for vanngass-reaksj onen til å produsere det ønskelige ekstra hydrogen. Fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelsen tilveiebringer den ønskelige omdanning i vanngassreaksjonen av karbonmonoksyd til ekstra hydrogen i anodesonen når man anvender brenselgasser som inneholder 1 til 10, og fortrinnsvis 1 til 5 ppm hydrogensulfid etter volum.
Egnede anoder for bruk i fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelsen kan fremstilles etter metodene som er beskrevet i US-patent 4.247.604 ifølge kjent teknologi som anvender bånd-støping av lag, etterfulgt av sintring, og ifølge pulvermetallurgiske teknikker. De andre komponentene i brenselcellen og andre fremgangsmåter for driften beskrevet i US-patent nr. 4.009.321 og 4.247.604 er egnet for brenselcellene og fremgangsmåter som er overveiet i den foreliggende oppfinnelse.
I en foretrukket utførelse ifølge denne oppfinnelsen kan man drive en brenselcelle med smeltet alkalimetallkarbonat ved å lede brenselgass som består av hydrogen, 20-2 5 volumprosent karbonmonoksyd, og 4-6 ppm H2S gjennom en porøs anode som består av ca. 50 vektprosent kopper og resten i det vesentlige bestående av nikkel. Anoden fremstilles ved fysisk å blande sammen kopper- og nikkelpulvere og anvende pulvermetallurgiske og sinterteknikker kjent i teknologien til fremstilling av porøse elektroder. Brenselcellen drives ved ca. 650°C, og brenselgassen har en oppholdstid i anodesonen på ca. 3 sekunder. Cellen kan drives over lange tidsperioder uten alvorlig anodepolarisering og oppnå over 25 volumprosent av den like-vektsomdanning i vanngassreaksjonen av CO til H2 som oppnås uten at H2S er tilstede.
Selv om denne oppfinnelsen er beskrevet i den foregående spesifikasjonen i forhold til bestemte foretrukne utførelser av denne, og mange detaljer er fremsatt for illustrasjonsfor-mål, vil det være åpenbart for spesialister på området at oppfinnelsen kan tillate ytterligere utførelser og at enkelte av detaljene som er beskrevet heri kan varieres betydelig uten å avvike fra hovedprinsippene i oppfinnelsen.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for produksjon av elektrisitet i en brenselcelle med smeltet alkalimetallkarbonat som anvender en brenselgass som er forurenset med svovel, karakterisert ved det trinn som går ut på å redusere anodepolariseringen, som omfatter at brenselgassen som inneholder opptil 10 ppm H2S på volumbasis ledes gjennom en porøs anode som omfatter over 10 vektprosent kopper, idet resten av anoden i hovedsak er et metall valgt fra gruppen som består av nikkel, kobolt, eller blandinger av disse.
2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte brenselgass omfatter 10 til 3 5 volumprosent CO og 1 ppm til 10 ppm H2S på volumbasis.
3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte porøse anode omfatter en katalysator for vanngassreaksjonen, hvorved over 2 5 volumprosent av likevektsomdanningen i vanngassreaksjonen av CO til H2 som oppnås uten at H2 er tilstede, kan opprettholdes i nærvær av nevnte H2S.
4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte porøse anode inneholder en katalysator for vanngassreaksjonen, hvorved over 50 volumprosent av likevektsomdanningen i vanngassreaksjonen av CO til H2 som oppnås uten at H2S er tilstede, blir opp-rettholdt i nærvær av nevnte H2S.
5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte anode omfatter 40 til 80 vektprosent kopper, og at nevnte rest av nevnte anode omfatter i det vesentlige nikkel.
6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte brenselcelle blir drevet ved 500 til 650°C.
7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte brenselgass har en oppholdstid i sonen til nevnte anode som er lengre enn 2 sekunder.
8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte brenselgass omfatter 1 til 5 ppm H2S etter volum.
9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte brenselgass omfatter 10 til 35 volumprosent CO og 1 ppm til 10 ppm H2S på volumbasis; at nevnte anode omfatter 40 til 80 vektprosent kopper og resten omfatter hovedsakelig nikkel; at nevnte brenselcelle drives ved 500 til 650°C; og mer enn 25 volumprosent av likevektsomdanningen i vanngassreaksjonen av CO til H2 som oppnås uten at H2S er tilstede, kan opprettholdes i nærvær av nevnte H2S.
NO881324A 1987-03-26 1988-03-25 Fremgangsm}te for produksjon av elektrisitet i brenselcelle NO173358C (no)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US3110987A 1987-03-26 1987-03-26

Publications (4)

Publication Number Publication Date
NO881324D0 NO881324D0 (no) 1988-03-25
NO881324L NO881324L (no) 1988-09-27
NO173358B true NO173358B (no) 1993-08-23
NO173358C NO173358C (no) 1993-12-01

Family

ID=21857694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO881324A NO173358C (no) 1987-03-26 1988-03-25 Fremgangsm}te for produksjon av elektrisitet i brenselcelle

Country Status (12)

Country Link
EP (1) EP0284553B1 (no)
JP (1) JPS63254679A (no)
AT (1) ATE79486T1 (no)
CA (1) CA1301833C (no)
DE (1) DE3873573T2 (no)
DK (1) DK166588A (no)
ES (1) ES2034360T3 (no)
FI (1) FI881125A (no)
GR (1) GR3005938T3 (no)
IE (1) IE61935B1 (no)
NO (1) NO173358C (no)
PT (1) PT87101B (no)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9951430B2 (en) * 2015-04-16 2018-04-24 Saudi Arabian Oil Company Methods for co-processing carbon dioxide and hydrogen sulfide

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1351190A (fr) * 1963-03-19 1964-01-31 Thomson Houston Comp Francaise Pile à combustible
DE1571985A1 (de) * 1966-07-06 1971-02-25 Chemie Technik Gmbh Verfahren zur anodischen Oxydation von sulfidischen Verbindungen
US4423122A (en) * 1982-04-26 1983-12-27 General Electric Company Electrode for molten carbonate fuel cell
US4925745A (en) * 1985-03-29 1990-05-15 Institute Of Gas Technoloy Sulfur tolerant molten carbonate fuel cell anode and process
US4702973A (en) * 1986-08-25 1987-10-27 Institute Of Gas Technology Dual compartment anode structure

Also Published As

Publication number Publication date
DE3873573D1 (de) 1992-09-17
DK166588D0 (da) 1988-03-25
IE61935B1 (en) 1994-11-30
NO881324D0 (no) 1988-03-25
GR3005938T3 (no) 1993-06-07
PT87101A (pt) 1989-03-30
EP0284553B1 (en) 1992-08-12
PT87101B (pt) 1995-03-01
IE880735L (en) 1988-09-26
ES2034360T3 (es) 1993-04-01
JPS63254679A (ja) 1988-10-21
FI881125A (fi) 1988-09-27
ATE79486T1 (de) 1992-08-15
NO173358C (no) 1993-12-01
NO881324L (no) 1988-09-27
FI881125A0 (fi) 1988-03-10
DE3873573T2 (de) 1993-01-21
CA1301833C (en) 1992-05-26
EP0284553A3 (en) 1989-07-19
DK166588A (da) 1988-09-27
EP0284553A2 (en) 1988-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0196465B1 (en) Sulfur tolerant molten carbonate fuel cell anode and process
Holladay et al. An overview of hydrogen production technologies
Gür Mechanistic modes for solid carbon conversion in high temperature fuel cells
Deleebeeck et al. Hybrid direct carbon fuel cells and their reaction mechanisms—a review
Hashimoto et al. Materials for global carbon dioxide recycling
US20040115492A1 (en) Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
US20030022035A1 (en) Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
Alamiery Advancements in materials for hydrogen production: A review of cutting-edge technologies
Pasternak Electrochemical approach for biogas upgrading
Weaver et al. Sulfation of the molten carbonate fuel cell anode
JP2023503473A (ja) 高電解質充填レベルでの溶融炭酸塩型燃料電池の作動
US5071718A (en) Use of sulfur containing fuel in molten carbonate fuel cells
NO173358B (no) Fremgangsmaate for produksjon av elektrisitet i brenselcelle
CN110257848B (zh) 中低温氧化甲烷为氢气和一氧化碳的熔盐电化学方法
Brett et al. The role of the fuel in the operation, performance and degradation of fuel cells
Sandler Chemical and Electrical Characteristics of the Alkali Carbonate High‐Temperature Fuel Cell
Zhu Advanced environmental/energy technology: Desulfurisation and fuel cell cogeneration
Athanasiou et al. Demonstration of hydrogen production in a hybrid lignite-assisted solid oxide electrolysis cell
Cavaliere Hydrogen from electrolysis
Cuesta et al. 'Waste-to-Energy’Fuel Cell Systems
Gür Utilization modes for solid carbon conversion in fuel cells
Wheelock Gutierrez A comparative study of low-emissions hydrogen production processes: Technical limitations and future trends
Zhou et al. Fuel Cells Running on Alternative Fuels
Douvartzides et al. Ethanol and methane fueled solid oxide fuel cells: A comparative study
Dubrovskiy et al. Molten salts as a promising medium for the synthesis of highly active catalytic coatings