Спосіб подачі карбонатів в паливний елемент з розплавленим карбонатним електролітом і батарея для його реалізації

1. Спосіб подачі карбонатів в паливний елемент з розплавленим карбонатним електролітом, що складається з евтектичної суміші двох карбонатів, наприклад, карбонатів калію і літію, якою заповнюють електролітну матрицю і спеціальні об'єми - кишені, капілярно зв'язані з матрицею, останні заповнюють електролітом в міру його витрат, що визначають за зміною параметрів паливного елемента з розплавленим карбонатним електролітом, який відрізняється тим, що в паливо і окислювач з температурою, близькою до температури робочої зони паливного елемента з розплавленим карбонатним електролітом (600-650°С), окремо вводять у вигляді пилу карбонат калію, наприклад, в паливо, і карбонат літію, наприклад, в окислювач (причому карбонати мають температу A (54) СПОСІБ ПОДАЧІ КАРБОНАТІВ В ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ З РОЗПЛАВЛЕНИМ КАРБОНАТНИМ ЕЛЕКТРОЛІТОМ І БАТАРЕЯ ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ 39827 Недолік цього способу - складність підтримки необхідного перепаду між тиском в каналах ПЕРКЕ і тиском над кишенями з розплавленими карбонатами. Це ускладнюється ще й тим, що необхідно організувати зовнішнє підживлення кишень і підтримку в них температури, що забезпечує плавлення карбонатів. Завданням винаходу, який пропонується, є розробка способу транспорту електроліту до матриці при невеликих електричних втрата х в системі подачі електроліту, і усунення залежності витрати електроліту, що подається в матрицю, від перепаду тисків у вн утрішньому об'ємі ПЕРКЕ і областю над кишенями з електролітом. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що подача карбонатів до електролітної матриці ПЕРКЕ з електролітом у вигляді евтектичної суміші карбонатів, наприклад, карбонатів калію і літію, яка має температуру плавлення 600-650°С, після вироблення початкового ресурсу по запасу електроліту в електролітній матриці, яке визначається по зміні параметрів електроенергії, що генерується елементом, здійснюється так: - в паливо і окислювач, що можуть мати температуру, яка дорівнює температурі робочої зони ПЕРКЕ (600-650°С), роздільно вводять у вигляді пилу карбонат калію, наприклад, в паливо, і карбонат літію, наприклад, в окислювач, які мають температуру плавлення кожен окремо значно вище 650°С, в співвідношенні, що забезпечує евтектичний склад суміші карбонатів; - карбонатний пил, що вводиться в паливо і окислювач, вловлюють в ПЕРКЕ на різних боках просоченої розплавленою карбонатною евтектикою матриці ПЕРКЕ, де він розчиняється в евтектиці; - введення карбонатів проводять до того часу, доки параметри електроенергії, що генерується, не досягнуть вихідного рівня і повторюють, коли відбувається винесення електроліту. Батарея ПЕРКЕ, що реалізує спосіб, який пропонується, складається з плоских пористих матриць з нанесеними анодами і катодами, діелектричних дистанційних розпірок, електропровідних газорозподільних перегородок з струмознімачами і електричної і конструктивної обв'язки. Причому пористі матриці встановлені вертикально і утворюють з нижніми горизонтальними дистанційними розпірками кишені для стікаючого по матрицях електроліту; кишені розташовані всередині ПЕРКЕ і об'єм електроліту в ни х контролюється по параметрах генерованої електроенергії. На фіг 1. приведений головний вигляд, на фіг. 2 - вигляд з боку (по А-А), на фіг. 3 - кишеня паливної батареї із трьох матриць, які працюють за способом, що пропонується. Електролітні матриці 1 розміщені в керамічний корпус - 2 і зовні ущільнені металічним корпусом - 3 з кришками - 4, що одночасно є силовими клемами для зняття електричної потужності з батареї ПЕ. Газорозподільні перегородки - 5 мають на собі струмознімачі - 6 і фіксуються суцільними дистанційними розпорками - 7 вклеєними - 8 в корпус 2. В нижніх дистанційних розпірках 9 виконані кишені, в яких накопичується розплав карбонатів. Спосіб реалізується наступним чином. Створюється система з двох газових потоків палива і окислювача, запилених твердими частками різних карбонатів. Якщо суміш карбонатів має евтектичний склад, то вдається одержати рідинне просочення матриці при наявних твердих частках пилу. Цій умові відповідають найбільш поширені складові електролітних сумішей, наведених в таблиці: Таблиця Карбонат Температура плавлення, °С К2СО3 891 Li2CO3 735 Na2CO3 854 Температури плавлення цих карбонатів вище температури плавлення їхніх евтектик і не перевищують температур у в робочій зоні ПЕРКЕ – 600650°С. Процес висадження твердих часток із запиленого потоку проходить інтенсивно у випадках високої адгезії часток до робочої поверхні (Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. - М.: Химия, 1976. - С. 451) і підсилюється, якщо поверхня волога або підплавлена і зволожує частки пилу. В ПЕРКЕ реалізується саме такий випадок, тому що рідка евтектика карбонатів, яка просочує матрицю, добре зволожує і розчиняє частки твердих карбонатів, які знаходяться в паливі і окислювачі. Ефективність висадження пилу карбонатів у великій мірі залежить від розмірів пилинок. За даними Зімона А.Д., цей процес найбільш стабільний для часток 100 мкм > d > (30¸40) мкм. Така фракція легко реалізується на серійних млинах. З точки зору переносу пилу карбонатів, розмір часток повинен бути мінімальний і не залежати від швидкості потоку реагентів. Причому швидкості останніх повинні завжди перевищувати швидкості левітації і гарантувати відсутність забивання трубопроводів і забезпечувати максимальний час між штатними чистками пилоходів. Сумістити потрібні витрати реагентів і карбонатів у часі досить складно. Витрати палива і окислювача однозначно зв’язані з генерованою потужністю ПЕРКЕ. В той же час, витрати карбонатів, що попадають на поверхню матриці, задаються газодинамічними умовами в системі уведення і умовами над матрицею. Останні задають як швидкість винесення з поверхні матриці, так і швидкість висадження їх з потоків реагентів. Але винесення зв'язано не тільки з газодинамікою, але і з температурою в робочій зоні паливного елементу, оскільки збільшення швидкості руху реагентів зв'язано із зростанням електричного струму Е матриці і її температурою, і, як наслідок, зменшення в'язкості розплавлених: карбонатів і збільшення винесення. Принципово можливо досягти збігу швидкостей винесення і висадження карбонатів на матрицю, але при цьому необхідно передбачити прецезійні методи контролю просочення матриці, зміни параметрів генерованої електроенергії і автоматичний зворотний зв'язок систем контролю і подачі карбонатів. Це досить складно, тому запропонована дискретна схема подачі пилу карбонатів з установкою буферних ємностей - кишень, що прилягають до матриці знизу, які акумулюють надлишок евтектичної суміші карбонатів і підживлюють нею пори 2 39827 сті матриці за рахунок капілярних сил під час відсутності карбонатного пилу в реагентах. Кишені можуть бути розділені неелектропровідними перегородками на частини, що дозволяє зменшити величину зрівноважувальних електричних струмів і градієнтів тиску над поверхнею розплаву електроліту. Це, одночасно, усуває залежність підживлення від перепаду тиску всередині і зовні паливного елементу. Запропонованй спосіб розв'язує режими навантаження ПЕ і режими блоку введення пилу в потік реагентів. Паливний елемент працює наступним чином: пористі електролітні матриці 1 до складання в батарею ПЕ просочуються рідкою евтектичною сумішшю карбонатів калію і літію. Ці карбонати обрані тому, що їх температура плавлення значно вище температури плавлення їх евтектики (650°С), а температура палива і окислювача, що подається, менша 650°С. Це дозволяє розпиляти їх в реагентах - паливі і окислювачі і в вигляді твердої фази транспортувати до батареї ПЕРКЕ. Момент подачі карбонатів обирається за станом матриці, коли частина карбонатів, що просочилися, звітрилася, але поблизу поверхні матриці ще є рідкий розплав, до якого прилипає пил. Важливо, що на протязі всього тракту пил до і після ПЕРКЕ осаджується на стінки, але не прилипає до них, і тому на стінках встановлюється динамічний шар, який не зростає. Єдиним місцем, де пил не зберігається на поверхні, а сходить з неї, є матриця. З обох боків на матрицю осідають різні карбонати і розчиняються в розплавленому електроліті, що просочує матрицю. Для того, щоб пил не утворював на матриці зовнішній сухий шар, повинні виконуватись деякі умови. Перш за все діаметр частинок пилу повинен бути меншим діаметра пір в матриці і електродах. Невиконання цієї умови призводить до збавлення матриці і порушення процесу стр умоутворення. І, по-друге, карбонати, що висадились з одного боку матриць на розплавлений електроліт повинні розчинитися в ньому і продифундувати до середини матриці, де, змішуючись з карбонатом, що пройшов з другого боку матриці, утворюють евтектичний склад, який опускається по тілу матриці в кишеню. Причому, процес змішування карбонатів і одержання евтектичного складу можливо прискорити, якщо організувати флуктуації тиску по обидва боки матриці за рахунок переходу до турбулентної течії реагентів. Із конструкції кишені видно (фіг. 3), що торець матриці, який входить в кишеню, зрізаний під кутом, що полегшує стікання електроліту. Горизонтальність розміщення кишені вирівнює ступінь просочення всієї матриці, а наявність додаткового об'єму електроліту в кишені збільшує час між черговими просочуваннями. Через те, що кожна матриця має свою кишеню, електрично не зв'язану з іншими, під час роботи ПЕРКЕ у всі х режимах, така схема дозволяє мінімізувати додаткові електричні втрати, які зв'язані з системою живлення електролітом. Таким чином, використання запропонованого винаходу дозволяє вирішити поставлені завдання і спростити, порівняно з прототипом, систему подачі електроліту в батарею ПЕРКЕ, зменшивши при цьому електричні втрати, що зв'язані зі зрівнювальними електричними струмами, які протікають в системі транспорту розплавлених карбонатів. Джерела інформації: 1. Заявка 2144856. Японія МКИ 5, Н01М8/04, 8/02. Масасси и др. № 63-296182; Заявлено 25.11.88; опубл. 04.06.90; Кокай Токе Ко Хо Сер 7(1)-199052 - С. 299-302; Р. ж. Химия. – 1992. - № 11. 11Л279П. 2. Brennstoffzelle: Заявка Уо 30905 ФРГ, МКИ 5 Н01М8/14, Siemens A.G. Wend Harmut u.a. № 4030905; Заявлено 28.09.90; опублик. 02.04.92. Р. ж. Химияю – 1993. - № 3. - 3Л196П. 3 39827 Фіг.1 Фіг.2 4 39827 Фіг.3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5