PL234388B1 - Stanowisko do pomiarów elektrochemicznych w środowisku stopionych soli w warunkach wysokotemperaturowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko do pomiarów elektrochemicznych w środowisku stopionych soli w warunkach wysokotemperaturowych, zwłaszcza w warunkach pracy ogniw paliwowych ze stopionym węglanem.

Podstawowymi elementami ogniw paliwowych ze stopionym węglanem (ogniw MCFC) są anoda i katoda wykonane z odpowiednio aktywnych materiałów, elektrolit znajdujący się w matrycy, kolektory prądu, separatory oraz obudowa. Na pracę ogniw MCFC istotny wpływ wywierają takie czynniki, jak materiały z jakich wykonane są poszczególne elementy ogniwa, skład elektrolitu, temperatura, zastosowane paliwo, szybkość przepływu gazów. Ponieważ działanie ogniwa paliwowego polega na procesach elektrochemicznych, a nadto ponieważ podczas pracy wysokotemperaturowych ogniw paliwowych ze stopionym węglanem jako elektrolitem panują warunki agresywne - silnie korozyjne, dlatego bardzo ważne jest wykonanie badań elektrochemicznych dotyczących odporności materiałów stosowanych w tych ogniwach oraz umożliwiających sporządzenie charakterystyk prądowo-napięciowych najważniejszych elementów tych ogniw. Badania elektrochemiczne powinny być wykonywane w warunkach odwzorowujących warunki pracy ogniwa, jak skład elektrolitu, temperatura. Wyniki tych badań są niezwykle ważne w procesach konstruowania oraz modyfikacji ogniw MCFC, umożliwiających zwłaszcza zwiększenie okresu ich eksploatacji z 20 000 godzin do przynajmniej 40 000 godzin. Okres eksploatacji ogniw jest istotnym parametrem, który uniemożliwia ich powszechne stosowanie mimo ich licznych zalet.

Z opublikowanych dotychczas, w czasopismach Platinum Metals Review 32(4) (1988) 200-203, Corrosion Science 41 (1999) 1497-1513, Journal of the Electrochemical Society 146(7) (1999)

2449-2454, Electrochimica Acta 50 (2005) 5533-5538,

Journal of Power Sources 152 (2005) 204-209, schematów stanowisk do pomiarów elektrochemicznych w warunkach wysokotemperaturowych i w obecności stopionych soli tj. w warunkach pracy ogniw paliwowych ze stopionym węglanem wynika, iż są one wyposażone w piec elektryczny zapewniający uzyskanie wysokiej temperatury (650°C lub wyższej), umieszczony wewnątrz pieca tygiel lub reaktor z tlenku glinu, zestaw trzech elektrod połączonych z układem do pomiarów elektroanalitycznych oraz termoparę do pomiaru temperatury stopionego węglanu.

W tyglu lub reaktorze umieszcza się stopiony, węglan, w którym po stopieniu zanurza się elektrody. Układ elektrod jest podłączony do zestawu elektroanalitycznego.

Aparatura opisana w literaturze naukowej nie zapewnia stabilizacji temperatury podczas pomiarów, w opisie tej aparatury nie wspomina się o sposobie wyprowadzenia przewodów od elektrod do zestawu elektroanalitycznego oraz o zabezpieczeniu przed zwarciem przewodów łączących elektrody z zestawem elektroanalitycznym. Ponadto aparatura ta nie zapewnia zachowania stałej geometrii ułożenia elektrod w tyglu lub reaktorze.

W pomiarach elektrochemicznych bardzo, ważne jest utrzymanie stabilnej temperatury, zapewnienie możliwości wykonywania pomiarów przy różnych odległościach pomiędzy elektrodami, zabezpieczenie przewodów łączących elektrody z zestawem elektroanalitycznym przed zwarciem, które może spowodować zniszczenie aparatury pomiarowej, a nadto zabezpieczenie elektrod umieszczonych w tyglu lub reaktorze przed zetknięciem się. Wszystkie te warunki spełnia stanowisko według wynalazku.

Stanowisko do pomiarów elektrochemicznych w środowisku stopionych soli w warunkach wysokotemperaturowych, zwłaszcza w warunkach pracy ogniw paliwowych ze stopionym węglanem, zawierające piec elektryczny wyposażony w obudowę ze stali kwasoodpornej, z elementami grzejnymi w postaci spiral umieszczonych w osłonach ceramiczno-porcelanowych i osłoniętych dodatkowo, od strony obudowy, izolacją termiczną, wewnątrz którego jest umieszczony tygiel lub reaktor z tlenku glinu, wewnątrz którego z kolei są umieszczone elektrody wykonane z materiałów odpornych na wysokie temperatury, połączone przewodami elektrycznymi z układem do pomiarów elektro analitycznych oraz jest umieszczona termopara do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora, według wynalazku charakteryzuje się tym, że piec elektryczny ma kształt cylindryczny i jego elementy grzejne są umieszczone na całym jego obwodzie wokół tygla lub reaktora. Piec jest zamknięty od góry pokrywą o powierzchni większej od pola przekroju poprzecznego pieca, zamontowaną rozłącznie na statywach, w której otworach usytuowanych nad tyglem lub reaktorem są zamocowane pionowo odcinki przewodów rurowych, w których są umieszczone fragmenty przewodów elektrycznych elektrod umieszczonych w tyglu lub reaktorze, łączących te elektrody z układem do pomiarów elektroanal itycz

PL 234 388 B1 nych, oraz jest umieszczona termopara do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora. Fragmenty przewodów elektrycznych elektrod znajdujące się poza pokrywą są umieszczone w koszulkach olejowych. W otworze ściany bocznej pieca jest zamocowany odcinek przewodu rurowego, w którym jest umieszczona termopara do pomiaru temperatury wewnątrz pieca. Piec stanowiska jest połączony ze źródłem zasilania za pośrednictwem szafy sterowniczej, połączonej z regulatorem natężenia prądu wyposażonym w miernik napięcia, wyposażonej; w termoregulator temperatury wewnątrz pieca i termoregulator temperatury wewnątrz tygla lub reaktora, połączone przewodami odpowiednio z termoparą do pomiaru temperatury wewnątrz pieca i termoparą do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora. Odcinki przewodów rurowych, w których są umieszczone przewody elektryczne elektrod, termopara do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora oraz termopara do pomiaru temperatury wewnątrz pieca, są wykonane z tlenku glinu.

Zastosowanie w stanowisku według wynalazku termoregulatora temperatury wewnątrz pieca i termoregulatora temperatury wewnątrz tygla lub reaktora umożliwia stabilizację temperatury stopionej soli umieszczonej w tyglu lub reaktorze. Wyposażenie pieca w pokrywę z otworami na przewody rurowe, przez które są przeprowadzone przewody elektrod, umożliwia zachowanie stałych odległości między elektrodami podczas pomiarów zarówno w trakcie pojedynczego pomiaru, jak i w kolejnych pomiarach, co jest niezwykle ważne w aspekcie uzyskania wysokiej powtarzalności i dokładności pomiarów elektrochemicznych, a także umożliwia umieszczenie elektrod na różnej wysokości i w różnej odległości od siebie.

Zamocowanie pokrywy na statywie umożliwia szybką i łatwą jej wymianę na inną pokrywę z inną geometrią rozmieszczenia zamocowanych w niej odcinków przewodów rurowych. Kształt cylindryczny pieca oraz zamocowanie elementów grzejnych pieca na całym jego obwodzie zapewnia równomierne ogrzewanie tygla lub reaktora. Umieszczenie termopar w rurkach z tlenku glinu zabezpiecza je przed środowiskiem korozyjnym. Natomiast umieszczenie przewodów elektrycznych elektrod w koszulkach olejowych zapobiega ich zwarciu.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat stanowiska do pomiarów elektrochemicznych, zaś fig. 2 pokrywę pieca w widoku perspektywicznym.

Stanowisko do pomiarów elektrochemicznych zawiera piec elektryczny 1 o kształcie cylindrycznym, wyposażony w obudowę ze stali kwasoodpornej, którego elementy grzejne stanowią spirale typu Kanthal umieszczone w osłonach ceramiczno-porcelanowych i osłonięte dodatkowo, od strony obudowy, izolacją termiczną z włókniny typu Vibrex. Wewnątrz pieca 1 jest zamocowany tygiel lub reaktor 18 z tlenku glinu. Elementy grzejne są umieszczone na całym obwodzie pieca 1 wokół tygla lub reaktora 18. Piec 1 jest zamknięty od góry pokrywą 9 o powierzchni większej od pola przekroju po przecznego pieca 1, zamontowaną rozłącznie na statywach 6. W otworach 19 pokrywy 9 usytuowanych nad tyglem lub reaktorem 18 są zamocowane pionowo odcinki przewodów rurowych z tlenku, glinu, trzy do umieszczenia w nich fragmentów przewodów elektrycznych trzech elektrod 17 umieszczanych w tyglu lub reaktorze 18, łączących te elektrody z układem 14 do pomiarów elektroanalitycznych, oraz jeden do umieszczenia w nim termopary 15 typu „K” przeznaczonej do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora 18. Fragmenty przewodów elektrycznych elektrod 17 znajdujące się poza pokrywą 9 są umieszczone w koszulkach olejowych. Elektrody 17 są wykonane z materiałów stosowanych w środowisku stopionych soli w warunkach wysokotemperaturowych. W otworze ściany bocznej pieca 1 jest zamocowany odcinek przewodu rurowego także z tlenku glinu, w którym jest umieszczona termopara typu „K” do pomiaru temperatury wewnątrz pieca 1. Piec 1 stanowiska jest połączony ze źródłem zasilania za pośrednictwem szafy sterowniczej 2, złączonej z piecem przewodem 7. Szafa sterownicza 2 jest połączona przewodem 11 ze źródłem zasilania i przewodem 10 z regulatorem natężenia prądu 3 wyposażonym w miernik napięcia. Regulator 3 jest połączony przewodem 8 ze źródłem zasilania. Szafa sterownicza, 2 jest wyposażona w termoregulator 12 typu „K” temperatury wewnątrz pieca 1, połączony przewodem 4 z wtykiem z termoparą 16 oraz w termoregulator 13 typu „K” temperatury wewnątrz tygla lub reaktora 18, połączony przewodem 5 z termoparą 15.

Po zdjęciu pokrywy 9 pieca 1 ze statywów 6 umieszcza się w tyglu lub reaktorze 18 pieca 1 stopioną sól - stopiony węglan stosowany w ogniwie paliwowym, po czym zamontowuje się ponownie pokrywę 9 na statywach 6 czyli nakrywa piec 1 pokrywą 9 i zanurza w stopionym węglanie elektrody połączone przewodami z układem 14 do pomiarów elektrolitycznych. Po ustaleniu wysokości, na jakiej winny być umieszczone elektrody 17, włącza się zasilanie pieca 1 za pośrednictwem szafy sterowniczej 2. Przy użyciu termopar 15 i 16 kontroluje się temperaturę wewnątrz pieca 1 i wewnątrz

PL 234 388 B1 tygla lub reaktora 18. Na podstawie wskazań termopar 15 i 16, za pomocą termoregulatorów temperatury 12 i 13 następuje włączenie ogrzewania pieca 1 w celu osiągnięcia zadanej temperatury w tyglu lub reaktorze 18 i wyłączanie ogrzewania pieca po osiągnięciu, zadanej temperatury w tyglu lub reaktorze 18. Ponowne włączenie ogrzewania pieca 1 następuje po obniżeniu temperatury jego komory grzejnej powodującej spadek temperatury w tyglu lub reaktorze 18 poniżej zadanej temperatury.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Stanowisko do pomiarów elektrochemicznych w środowisku stopionych soli w warunkach wysokotemperaturowych, zwłaszcza w warunkach pracy ogniw paliwowych ze stopionym węglanem, zawierające piec elektryczny wyposażony w obudowę ze stali kwasoodpornej, z elementami grzejnymi w postaci spiral umieszczonych w osłonach ceramiczno-porcelanowych i osłoniętych dodatkowo, od strony obudowy, izolacją termiczną, wewnątrz którego jest umieszczony tygiel lub reaktor z tlenku glinu, wewnątrz którego z kolei są umieszczone elektrody wykonane z materiałów odpornych na wysokie temperatury, połączone przewodami elektrycznymi z układem do pomiarów elektroanalitycznych oraz jest umieszczona termopara do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora, znamienne tym, że piec elektryczny (1) ma kształt cylindryczny i jego elementy grzejne są umieszczone na całym jego obwodzie wokół tygla lub reaktora (18), nadto piec (1) jest zamknięty od góry pokrywą (9) o powierzchni większej od pola przekroju poprzecznego pieca (1), zamontowaną rozłącznie na statywach (6), w której otworach usytuowanych nad tyglem lub reaktorem (18) są zamocowane pionowo odcinki przewodów rurowych, w których są umieszczone fragmenty przewodów elektrycznych elektrod (17) umieszczonych w tyglu lub reaktorze (18), łączących te elektrody z układem do pomiarów elektroanalitycznych (14), oraz jest umieszczona termopara (15) do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora (18), natomiast w otworze ściany bocznej pieca (1) jest zamocowany odcinek przewodu rurowego, w którym jest umieszczona termopara (16) do pomiaru temperatury wewnątrz pieca (1), przy czym piec (1) stanowiska jest połączony ze źródłem zasilania za pośrednictwem szafy sterowniczej (2) połączonej z regulatorem natężenia prądu (3) wyposażonym w miernik napięcia, wyposażonej w termoregulator (12) temperatury wewnątrz pieca (1), połączony przewodem elektrycznym (4) z termoparą (16) do pomiaru temperatury wewnątrz pieca (1) oraz w termoregulator (13) temperatury wewnątrz tygla lub reaktora (18), połączony przewodem elektrycznym (5) z termoparą (15) do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora (18).
2. 2. Stanowisko według zastrz. 1, znamienne tym, że odcinki przewodów rurowych, w których są umieszczone przewody elektryczne elektrod (17), termopara (15) do pomiaru temperatury wewnątrz tygla lub reaktora (18) oraz termopara (16) do pomiaru temperatury wewnątrz pieca (1), są wykonane z tlenku glinu.
3. 3. Stanowisko według zastrz. 1, znamienne tym, że fragmenty przewodów elektrycznych elektrod (17) znajdujące się poza pokrywą (9) pieca (1) są umieszczone w koszulkach olejowych.

   PL 234 388 Β1

   Rysunki

   PL 234 388 Β1

   Fig· 2