PL238241B1 - Sposób zabezpieczenia przed pyłem ogniwa paliwowego - Google Patents

Description

Zanieczyszczenie ogniw paliwowych pyłem przedstawiane jest jako jedno z zagrożeń dla ich stabilnej, bezawaryjnej i bezpiecznej pracy. Pył zawieszony w gazie dolotowym może osiadać w kanałach dolotowych ogniwa powodując spadek ciśnienia oraz na samym ogniwie, co może prowadzić do zmniejszenia powierzchni aktywnej ogniwa. Takie zanieczyszczenie układu może powodować uszkodzenie oraz degradację ogniwa co prowadzi do spadku jego wydajności, sprawności oraz stopnia wykorzystania paliwa powodując wzrost kosztów eksploatacji oraz spadek korzyści z zastosowania wysokosprawnych ogniw paliwowych.

Aktualnie temat zabezpieczenia ogniw paliwowych przed pyłem jest tylko częściowo rozwiązany i wiąże się ze wzrostem kosztów obsługi układu.

Dotychczas stosowane rozwiązanie tego problemu polega na umieszczeniu w układzie dolotowym do ogniwa dodatkowych filtrów mechanicznych lub elektrofiltrów, które mają za zadanie odseparowanie i zatrzymanie cząstek stałych. W elektrofiltrach do oczyszczania gazów z pyłów przemysłowych stosuje się elektrody ulotowe o dodatniej lub ujemnej biegunowości, wytwarzające wyładowanie koronowe. Pod wpływem wyładowania koronowego cząstki stałe uzyskują ładunek elektryczny, przez co osadzają się w komorze wyładowczej na elektrodach zbiorczych o przeciwnej biegunowości, skąd są okresowo usuwane.

Z opisu patentowego JP4498683 znane jest urządzenie do usuwania drobnego pyłu oraz związków krzemu zawieszonych w gazie doprowadzanego do ogniwa paliwowego, złożone z kolektora elektrostatycznego i filtra, na którym osiada naładowany pył.

Ze zgłoszenia patentowego JP2014107259 znana jest technika oczyszczania powietrza dostarczanego do elektrody ogniwa paliwowego z wykorzystaniem pary wodnej i wody. Para wodna produkowana na wylocie z katody jest skraplana i oddzielana w wymienniku ciepła a następnie kierowana do zbiornika na skropliny. Pył jest usuwany z dostarczanego powietrza filtrem przeciwpyłkowym, a następnie powietrze to kierowane jest do zbiornika na skropliny, gdzie substancje chemiczne rozpuszczalne w wodzie są usuwane poprzez kontakt z wodą. Tak oczyszczone powietrze kierowane jest na katodę.

W zgłoszeniu patentowego JP2012084241 przedstawiony jest układ ogniw paliwowych zdolny do stabilnej pracy przez długi okres czasu i utrzymujący wydajne usuwanie pyłu. Aby usunąć pył dołącza się część wychwytującą pył i zawierającą filtr przeciwpyłkowy. Część ta jest dołączona za pompą tłokową powietrza zasilającego. Wibracje generowane przez ruch posuwisty pompy zasilającej powietrza przenoszą się do części odpylania i umożliwiają usunięcie pyłu przylegającego do filtra pyłu.

Niedogodnością tego typu rozwiązań jest konieczność stosowania skomplikowanych układów i zestawów filtrów, które podnoszą koszty inwestycyjne. Ważny jest również fakt, że filtry te muszą być oczyszczane oraz wymieniane, ponieważ podlegają normalnemu zużyciu. Aktualnie istniejące techniki pozwalają na zabezpieczenie ogniwa przed pyłem, lecz wiąże się to z wysokimi kosztami inwestycyjnymi oraz zwiększonymi wydatkami operacyjnymi.

Sposób zabezpieczenia ogniwa paliwowego przed pyłem, z wykorzystaniem elektrody ulotowej do wytworzenia wyładowania koronowego w strumieniu gazów dolotowych doprowadzanych do ogniwa, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elektrodę ulotową umieszcza się w osi kanału dolotowego ogniwa paliwowego, a ziarnom cząstek stałych przepływających w strumieniu gazów dolotowych przez kanał dolotowy nadaje się ładunek elektryczny zgodny z polaryzacją elektrody ogniwa, do której doprowadzany jest strumień gazów dolotowych, za pomocą wyładowania koronowego z elektrody ulotowej o napięciu od 40-200 kV.

Zgodnie z istotą wynalazku, w kanale dolotowym katody ogniwa paliwowego wytwarza się dodatnie wyładowania koronowe, a w kanale dolotowym anody ogniwa paliwowego wytwarza się ujemne wyładowania koronowe.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zabezpieczenie elektrod ogniwa paliwowego przed pyłem poprzez naładowanie ziaren pyłu zgodne z polaryzacją elektrody ogniwa, do której kierowany jest strumień gazu zawierający pył. Pozwala to na wydłużenie czasu pracy ogniw paliwowych bez konieczności wymiany ich elementów, a także pozwala na zmniejszenie kosztów operacyjnych pracy ogniw paliwowych.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat instalacji do zabezpieczenia ogniwa paliwowego przed pyłem.

PL 238 241 Β1

Urządzenie do zabezpieczenia ogniwa paliwowego przed pyłem składa się ze źródła prądu stałego 1 i elektrody ulotowej 2 powodującej wyładowanie koronowe, umieszczonej w osi kanału dolotowego 3 ogniwa paliwowego. Elektroda ulotowa 2 jest odizolowana od kanału dolotowego 3 izolatorem pełniącym również funkcję uszczelnienia. Ziarnom cząstek stałych przepływających w strumieniu gazów dolotowych przez kanał dolotowy 3 nadaje się ładunek elektryczny zgodny z polaryzacją elektrody ogniwa, do której doprowadzany jest strumień gazów dolotowych, za pomocą wyładowania koronowego z elektrody ulotowej 2 o napięciu od 40-200 kV. W kanale dolotowym katody ogniwa paliwowego wytwarza się dodatnie wyładowania koronowe. W kanale dolotowym anody ogniwa paliwowego wytwarza się ujemne wyładowania koronowe.

Rozwiązanie było testowane w węglanowym ogniwie paliwowym, które składało się z obudowy, anody będącej niklem z domieszką chromu, katody będącym tlenkiem niklu z domieszką litu oraz osnowy będącej glinianem litu, w której utrzymywany był ciekły elektrolit będący mieszaniną węglanu litu i węglanu potasu w stężeniach odpowiednio 62% i 38%. Ogniwo pracowało w standardowych warunkach pracy, tj. w temperaturze 650°C, przy parametrach przepływu gazów doprowadzanych do katody i anody przedstawionych w tabeli poniżej:

Tabela: Gazy doprowadzane do ogniwa

	Gaz	Przepływ, ml/min/cm2
Katoda	Powietrze	7,73
CO2	3,09
Anoda	H2	5,88
CO2	0,86

W kanale dolotowym 3 katody tak pracującego ogniwa zamontowano elektrodę ulotową 2 zasilaną przez źródło prądu stałego 1 i rozpoczęto podawanie drobnych cząstek stałych o medianie rozmiaru wynoszącej 5 mikronów w ilości 100 ppm, które symulowały zanieczyszczenie elektrody pyłem węglowym. Elektroda ulotowa 2 generowała ujemne wyładowanie koronowe o napięciu rzędu 100 kV. Naładowanie ziaren pyłu spowodowało wytworzenie odpychającej siły elektrostatycznej pomiędzy ziarnem oraz katodą, co umożliwiło przelot pyłu przez ogniwo bez osadzenia się na jego powierzchni. Podczas realizacji sposobu według wynalazku nie stwierdzono występowania pyłu na elektrodzie ogniwa i ogniwo nadawało się do normalnej eksploatacji mimo wysokiego zapylenia podawanych gazów w czasie 48 godzin.

Rozwiązanie według wynalazku może być wykorzystane w układach sekwestracji dwutlenku węgla, co pozwoli na uproszczenie instalacji i wyeliminowanie skomplikowanych układów filtrów cząstek stałych. Ponadto będzie możliwe praktycznie całkowite zabezpieczenie ogniwa przed pyłem. Tego typu urządzenie może być stosowane wszędzie tam, gdzie konieczne jest zabezpieczenie układów ogniw paliwowych przed drobnym pyłem, na przykład w układach zasilanych biogazem.

Claims (3)

1. Sposób zabezpieczenia ogniwa paliwowego przed pyłem, z wykorzystaniem elektrody ulotowej do wytworzenia wyładowania koronowego w strumieniu gazów dolotowych doprowadzanych do ogniwa, znamienny tym, że elektrodę ulotową (2) umieszcza się w osi kanału dolotowego (3) ogniwa paliwowego, a ziarnom cząstek stałych przepływających w strumieniu gazów dolotowych przez kanał dolotowy (3) nadaje się ładunek elektryczny zgodny z polaryzacją elektrody ogniwa, do której doprowadzany jest strumień gazów dolotowych, za pomocą wyładowania koronowego z elektrody ulotowej (2) o napięciu od 40-200 kV.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w kanale dolotowym (3) katody ogniwa paliwowego wytwarza się dodatnie wyładowania koronowe.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w kanale dolotowym (3) anody ogniwa paliwowego wytwarza się ujemne wyładowania koronowe.