PL249289B1 - Sposób regeneracji elektrolitu w węglanowym ogniwie paliwowym - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie dotyczy sposobu regeneracji elektrolitu w wysokotemperaturowym węglanowym ogniwie paliwowym MCFC, w którym przygotowuje się rozdrobniony elektrolit będący mieszaniną węglanów sodu i potasu lub litu i potasu zawierającą ewentualne domieszki innych węglanów, który zawiesza się w mieszaninie wody i alkoholu, po czym tak przygotowaną zawiesiną zasila się przewód dostarczania (2) usytuowany w gazowym kanale paliwowym (1), którym zawiesinę dostarcza się do powierzchni anody (5), gdzie woda i alkohol reagują na powierzchni elektrody (5), a cząstki elektrolitu przepływają przez elektrodę w głąb matrycy (6), uzupełniając ubytki elektrolitu w rdzeniu ogniwa.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób regeneracji elektrolitu w węglanowym ogniwie paliwowym, w szczególności wynalazek dotyczy sposobu dostarczania elektrolitu w trakcie pracy węglanowych ogniw paliwowych.

Węglanowe ogniwo paliwowe (MCFC) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa na energię elektryczną. Wysoka temperatura pracy ogniwa rzędu 650°C pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności i stabilności generowania energii, lecz jednocześnie powoduje obciążenie poszczególnych elementów ogniwa i zmniejsza jego trwałość.

Kluczowym elementem węglanowego ogniwa paliwowego jest elektrolit węglanowy, który składa się ze stopionych węglanów, najczęściej węglanu litu i potasu w odpowiednich proporcjach, lub też innych domieszek.

W trakcie pracy wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego (MCFC) elektrolit węglanowy występuje w postaci ciekłej, który często odparowuje lub wycieka z matrycy elektrolitu węglanowego, co w konsekwencji skutkuje spadkiem efektywności pracy węglanowego ogniwa paliwowego. Ponadto, złożona konstrukcja i kruchość elementów tworzących ogniwo paliwowe sprawia, że nie ma możliwości jego rozłożenia i uzupełnienia ubytków elektrolitu węglanowego w trakcie pracy ani po wygaszeniu ogniwa paliwowego.

W stanie techniki znane są różne podejścia do kwestii poprawy trwałości ogniwa węglanowego, przy zachowaniu wysokiej wydajności pracy.

Klasyczne rozwiązania zakładają dobranie odpowiednio dużej ilości elektrolitu, zapewniającej długotrwałą pracę ogniwa paliwowego MCFC. Niemniej jednak takie podejście sprawia, że w początkowym okresie użytkowania węglanowego ogniwa paliwowego uzyskuje się gorsze parametry pracy ogniwa, czyli niższą przewodność jonową na skutek nadmiernej grubości elektrolitu.

Innym podejściem jest modyfikacja elektrody, przykładowo w opisie wynalazku P.430520 ujawniono elektrodę węglanowego ogniwa paliwowego o zmodyfikowanej strukturze, która składa się z dwóch warstw: gazowo-dyfuzyjnej w postaci pianki i katalitycznej w postaci spieku niklowego.

Jeszcze innym podejściem jest regeneracja elektrolitu. W patencie PL 234555 B1 ujawniono sposób regeneracji elektrolitu węglanowych ogniw paliwowych polegający na zawieszeniu elektrolitu w gazach dolotowych do anody za pomocą generatora aerozolu cząstek stałych a następnie nadanie ziarnom rozdrobnionego elektrolitu ładunku elektrycznego za pomocą dodatniego wyładowania koronowego z elektrody o napięciu od 40-200 kV umieszczonej w osi oraz wewnątrz kanału dolotowego anody przy utrzymywaniu w trakcie procesu regeneracji w kanale dolotowym oraz komorze anodowej ogniwa podwyższonego ciśnienia, rzędu 5-25 mbar oraz utrzymywania temperatury pracy ogniwa. W sposobie według ujawnienia ogniwo podczas regeneracji musi być wyłączone z eksploatacji, ponadto cykl regeneracji należy powtórzyć przynajmniej trzykrotnie, aby ogniwo nadawało się do dalszego użytku.

Opisane rozwiązania nie zapewniają możliwości regeneracji ogniwa paliwowego w trakcie pracy urządzenia przy zachowaniu stałej wydajności pracy ogniwa MCFC.

Celem wynalazku jest zapewnienie rozwiązania pozwalającego na skuteczną regenerację elektrolitu w węglanowym ogniwie paliwowym, dzięki czemu możliwe będzie utrzymanie stałej wydajności pracy ogniwa paliwowego MCFC.

W toku prac badawczych twórcy wynalazku zauważyli, że rozwiązaniem problemu regeneracji elektrolitu w węglanowym ogniwie paliwowym, które można prowadzić w sposób stały, w miarę zużywania się elektrolitu jest wprowadzenie do gazowego kanału paliwowego elementu dostarczania nowego elektrolitu w sposób stały, w miarę powstających w ogniwie ubytków elektrolitu.

Przedmiotem wynalazku jest sposób regeneracji elektrolitu w wysokotemperaturowym węglanowym ogniwie paliwowym MCFC, charakteryzujący się tym, że przygotowuje się rozdrobniony do wielkości ziarna poniżej 40 pm elektrolit będący mieszaniną węglanów sodu i potasu lub litu i potasu zawierającą ewentualne domieszki innych węglanów, który zawiesza się w mieszaninie wody i alkoholu, korzystnie etanolu lub metanolu w stosunku molowym względem wartości stechiometrycznej dla reakcji reformingu parowego alkoholu w zakresie 2,5:1 do 4,0:1, przy czym ilość elektrolitu w mieszaninie wody i alkoholu wynosi poniżej 3% masowo, po czym tak przygotowaną zawiesiną zasila się przewód dostarczania usytuowany w gazowym kanale paliwowym, którym zawiesinę dostarcza się do powierzchni anody, gdzie woda i alkohol reagują na powierzchni elektrody, a cząstki elektrolitu przepływają przez elektrodę w głąb matrycy, uzupełniając ubytki elektrolitu w rdzeniu ogniwa, przy czym woda i alkohol na

PL 249290 B1 powierzchni anody poddawane są reakcji reformingu parowego, pełniąc rolę tymczasowego paliwa płynnego ogniwa paliwowego.

Korzystnie w sposobie według wynalazku, przewód dostarczania zasila się zawiesiną elektrolitu stale lub okresowo, bez przerywania pracy ogniwa. Korzystnie, przewód dostarczania o średnicy w zakresie od 0,3 do 1 mm zasila się za pomocą pompy perystaltycznej przy ciśnieniu atmosferycznym.

Korzystnie w sposobie według wynalazku, tempo zasilania przewodu dostarczania koreluje się ze spadkiem efektywności pracy ogniwa lub prędkością utraty elektrolitu z matrycy.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia wydłużenie czasu pracy węglanowego ogniwa paliwowego bez konieczności wymieniania poszczególnych elementów, co pozwala na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych ogniw a przy tym jest ekologicznie korzystne.

W sposobie według wynalazku, w odróżnieniu od rozwiązań znanych w stanie techniki, wydajnym medium przenoszącym stały elektrolit jest płyn, nie zaś znany dotąd gaz. Dzięki temu ogniwo paliwowe pracuje ciągle podczas regeneracji elektrolitu, a z uwagi na to, iż mieszanina wody i alkoholu jest paliwem, nie trzeba jednocześnie dostarczać wodoru do pracy ogniwa.

Ponadto, zastosowanie elektrolitu w mieszaninie płynnej jest znacznie łatwiejsze niż w gazie, gdyż transport proszku elektrolitu przez kanały gazowe, wymaga zaprogramowania wysokich prędkości przepływu, a znaczna część proszku osadzałaby się na wewnętrznych ściankach kanałów nie docierając do matrycy, prowadząc jednocześnie do zamknięcia światła kanałów gazowych.

Sposób regeneracji elektrolitu w ogniwie paliwowym MCFC według wynalazku w przykładzie realizacji jest bliżej objaśnione w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny ogniwa paliwowego i sposób regeneracji elektrolitu wraz z paliwem płynnym.

Zgodnie z przykładem wykonania węglanowe ogniwo paliwowe z instalacją do regeneracji elektrolitu lub opcjonalnie do uzupełnienia braku paliwa płynnego podczas regeneracji o przekroju poprzecznym według fig. 1, składa się z anodowego kanału gazowego 1, w którym umieszczony jest przewód dostarczania 2 wykonany ze stali nierdzewnej wypełniony mieszaniną 3, który dostarcza mieszaninę do przestrzeni, w której znajduje się kolektor prądowy 4 łączący się z anodą 5 i matrycą 6 zawierającą elektrolit, zabezpieczoną na obu końcach uszczelką gazową 7. Przewód dostarczania 2 o średnicy od 0,3 mm do 1,0 mm wprowadza się do anodowego paliwowego kanału gazowego 1 na etapie montażu ogniwa paliwowego. W sytuacji wykrycia spadku efektywności pracy ogniwa paliwowego wynikającego z degradacji elektrolitu, poprzez przewód dostarczania 2 przy użyciu pompy perystaltycznej pod ciśnieniem atmosferycznym podawana jest mieszanina 3 (elektrolit, woda i alkohol) do powierzchni anody 5, na której osadza się elektrolit przepływając przez jej porowatą strukturę do matrycy 6, przy czym woda i alkohol na powierzchni anody 5 poddawane są reakcji reformingu parowego, pełniąc rolę tymczasowego paliwa płynnego ogniwa paliwowego. Produkty pracy ogniwa jak i reformingu parowego wydalane są z ogniwa kanałem wylotowym 8, natomiast dostarczony elektrolit pozostaje w matrycy 6 w rezultacie uzupełniając ubytki elektrolitu.

Opcjonalnie mieszanina 3 podawana jest przez cały czas pracy ogniwa paliwowego w małych ilościach w celu ciągłego regularnego uzupełniania ubytków elektrolitu. Ilość elektrolitu umieszczona w mieszaninie go niosącej nie powinna przekraczać 3% masowo. Natomiast rurka kapilarna 2 pozostawiona w instalacji przez cały okres pracy i użytkowania ogniwa nie wywiera negatywnego wpływu na pracę urządzenia.

Claims (4)

1. Sposób regeneracji elektrolitu w wysokotemperaturowym węglanowym ogniwie paliwowym MCFC znamienny tym, że przygotowuje się rozdrobniony do wielkości ziarna poniżej 40 pm elektrolit będący mieszaniną węglanów sodu i potasu lub litu i potasu zawierającą ewentualne domieszki innych węglanów, który zawiesza się w mieszaninie wody i alkoholu, korzystnie etanolu lub metanolu w stosunku molowym względem wartości stechiometrycznej dla reakcji reformingu parowego alkoholu w zakresie 2,5:1 do 4,0:1, przy czym ilość elektrolitu w mieszaninie wody i alkoholu wynosi poniżej 3% masowo, po czym tak przygotowaną zawiesiną zasila się przewód dostarczania (2) usytuowany w gazowym kanale paliwowym (1), którym zawiesinę dostarcza się do powierzchni anody (5), gdzie woda i alkohol reagują na powierzchni elektrody (5) a cząstki elektrolitu przepływają przez elektrodę w głąb matrycy (6), uzupełniając ubytki

PL 249289 Β1 elektrolitu w rdzeniu ogniwa, przy czym woda i alkohol na powierzchni anody (5) poddawane są reakcji reformingu parowego, pełniąc rolę tymczasowego paliwa płynnego ogniwa paliwowego.

2. Sposób regeneracji elektrolitu według zastrz. 1, znamienny tym, że przewód dostarczania (2) zasila się zawiesiną elektrolitu stale lub okresowo, bez przerywania pracy ogniwa.

3. Sposób regeneracji elektrolitu według zastrz. 2, znamienny tym, że przewód dostarczania (2) o średnicy w zakresie od 0,3 do 1 mm zasila się za pomocą pompy perystaltycznej przy ciśnieniu atmosferycznym.

4. Sposób regeneracji elektrolitu według któregokolwiek z zastrz. 1-3, znamienny tym, że tempo zasilania przewodu dostarczania (2) koreluje się ze spadkiem efektywności pracy ogniwa lub prędkością utraty elektrolitu z matrycy (6).