Laboratorium Technologii Ogniw Paliwowych

Laboratorium Technologii Ogniw Paliwowych - CEREL

Prace nad technologią wytwarzania ogniw paliwowych prowadzone są w Oddziale Ceramiki Cerel Instytutu Energetyki. W tym zakresie prace skoncentrowane są nad opracowaniem ekonomicznych metod wytwarzania stałotlenkowych ogniw paliwowych typu ASC (Anode Supported Cells) oraz skalowaniem rozmiarów ogniw do zastosowań w stosach SOFC. Poniżej przedstawiono urządzenia używane do prac badawczych nad stałotlenkowymi ogniwami paliwowymi i membranami tlenowymi, które były na posiadaniu OC CEREL, przed rozpoczęciem realizacji projektu.

Prace nad realizacją projektu pozwoliły na doposażenie laboratorium w nowoczesne urządzenia służące do wytwarzania i badania proszków, past oraz warstw składowych ogniw paliwowych i membran tlenowych. Poniżej przedstawiono nazwy urządzeń przewidzianych do zakupu w ramach projektu oraz opis zastosowania ważniejszych z nich:

  • Próżniowa prasa ślimakowa
  • Prasa hydrauliczna z przeznaczeniem do prasowania na gorąco
  • Granulometr
  • Reometr do pomiaru lepkości zawiesin i past
  • Laboratoryjny piec elektryczny z przewietrzaniem komory pieca
  • Porozymetr rtęciowy
  • Skaner do dygitalizacji przestrzennej
  • Stanowisko do nanoszenia cienkich warstw elektrolitów metodą impregnacji
  • Twardościomierz Vickersa do pomiaru współczynnika KIC
  • Suszarka laboratoryjna próżniowa

Próżniowa Prasa Ślimakowa

Prasa ślimakowa używana jest jako stanowisko badawcze do formowania metodą plastyczną kształtek rurowych o rozwiniętych powierzchniach  oraz monolitów wielokanałowych będących nośnikami funkcjonalnych cienkich warstw elektrolitowych i tworzyw perowskitowych. Stanowisko to umożliwia prowadzenie zaawansowanych prac badawczych nad nowymi, tańszymi technikami wytwarzania ogniw paliwowych i membran tlenowych do otrzymywania czystego tlenu do procesów OXY-spalania. Znalazła też zastosowanie do wytwarzania monolitów katalitycznych do wysokotemperaturowego usuwania H2S i NH3 z gazów spalinowych gdzie wymagane jest formowanie wielokanałowych kształtek katalitycznych.

Prasa Hydrauliczna

Prasa jest stosowana do formowania podkładów anodowych metodą prasowania z wykorzystaniem  żywic termotopliwych. Sposobem prasowania można wytwarzać podkłady anodowe płaskie, o dużych wymiarach  i korzystnej strukturze porów.

Granulometr oraz Reometr

Granulometr stosowany jest do prowadzenie prac badawczych, głównie nad technologią wytwarzania stałotlenkowych ogniw paliwowych i membran tlenowych. Umożliwia on pomiary wielkości cząstek w zakresie 20 do 200nm oraz ich rozkładu. Pomiar ten jest bardzo istotny w celu optymalizacji i kontroli proszków stosowanych do otrzymywania poszczególnych warstw ogniw paliwowych i membran tlenowych.

Reometr wykorzystywany jest do badania i optymalizacji właściwości zawiesin i past stosowanych w mokrych metodach wytwarzania ogniw paliwowych SOFC.  Umożliwia on również kontrolę właściwości reologicznych mas ceramicznych w innych technologiach wykorzystywanych w OC Cerel.

Piec oraz Porozymetr

Laboratoryjny piec elektryczny z przewietrzaniem komory przeznaczony jest  do syntezy proszków i spiekania (wypalania) elementów ogniw paliwowych SOFC i membran tlenowych w atmosferze tlenowej w temperaturze do 1400°C.

 

tl_files/foto/POIG/Piec elektryczny.jpg       tl_files/foto/POIG/Porozymetr.jpg

Porozymetr rtęciowy wykorzystywany jest do pomiaru rozkładu wielkości porów w elektrodowych warstwach ogniwa paliwowego SOFC. Własności elektrod związane z porowatością (wielkość porów, gazoprzepuszczalność, gradientowość systemu porów) mają pierwszorzędne znaczenie dla funkcjonalności ogniwa.

Skaner do Digitalizacji Przestrzennej

Skaner do dygitalizacji przestrzennej metodą stykową pozwala na uzyskanie danych  dotyczących topografii powierzchni z rozdzielczością rzędu jednego mikrona przy powtarzalności poniżej 5 mikronów. Jest on stosowany miedzy innymi do analizy topografii powierzchni ceramicznych  ogniw SOFC i określenia płaskości wytworzonych ogniw przed i po zakończeniu testów pojedynczych ogniw.

Stanowisko do Nanoszenia Cienkich Warstw

Stanowisko do nanoszenia cienkich warstw elektrolitów metodą impregnacji powstało w wyniku opracowania nowatorskiej metody nanoszenia cienkich warstw. Zostało wykonane na podstawie wytycznych przekazanych przez OC CEREL. Służy ono do otrzymywania cienkich warstw na wcześniej wytworzonym podłożu. Pozwala ono na uzyskanie warstw o grubości powyżej 5 mikrometrów.

Laboratorium Testowania Ogniw Paliwowych - COP

Przed rozpoczęciem projektu, w skład infrastruktury badawczej LTOP wchodziło jedno pomieszczenie laboratoryjne o powierzchni około 24 m2 do testowania pojedynczych ogniw SOFC, które to laboratorium przystosowano za środki własne w roku 2004.

Sposób i zakres prowadzenia prac badawczych ograniczony był brakiem miejsca, specjalistycznej aparatury pomiarowej oraz odpowiedniej infrastruktury laboratoryjnej.  Ograniczenia te wynikały z następujących czynników:

  • Zasilanie stanowisk badawczych gazem z pojedynczych butli nie pozwalało na zwiększanie skali mocy testowanych układów ze stosami SOFC, co bezpośrednio związane jest z większym zapotrzebowaniem na paliwo gazowe
  • Brak odpowiedniej instalacji gazowej uniemożliwiał prowadzenie badań wpływu jakości wieloskładnikowego paliwa gazowego na wydajność testowanych stosów i ogniw paliwowych SOFC
  • Zakres parametrów posiadanej aparatury analitycznej i pomiarowej był zbyt wąski, co uniemożliwiało wykonywanie pomiarów dla wyższych mocy układów energetycznych
  • Brak wolnej przestrzeni laboratoryjnej był jednym z powodów utrudniających budowę koniecznych stanowisk badawczych do testowania układów ze stosami SOFC większej mocy

Budowa Nowego Laboratorium

W ramach projektu powstało nowe laboratorium, w którym prowadzone są prace w zakresie rozwoju technologii węglowych ogniw paliwowych oraz membran ceramicznych do separacji tlenu z powietrza. Rozbudowane laboratorium składa się z dwóch pomieszczeń, jedne o powierzchni około 50 m2 a drugie około 30 m2.

Specjalnie zaprojektowane i wykonane układy wentylacji nawiewno–wywiewnej gwarantują pobór świeżego powietrza oraz utrzymanie właściwej temperatury w czasie prowadzenia prac badawczych układów wysokotemperaturowych.

tl_files/foto/POIG/Duza Hala v1.jpg

Rok 2007 - Rozpoczęcie prac nad nowym laboratorium

tl_files/foto/POIG/Duza Hala v2.jpg

Rok 2011 - Ukończenie budowy laboratorium

Laboratorium wyposażone zostało w nowoczesną instalację gazową umożliwiającą zasilanie stanowisk badawczych w wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla, hel, argon, azot, powietrze syntetyczne oraz inne gazy robocze.

Ponadto, w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy, zainstalowany został system detekcji gazów palnych bądź toksycznych powiązany z sygnalizacją niebezpiecznego stężenia gazów w pomieszczeniu.

Dzięki sprzężeniu tego systemu z układem wentylacji oraz elektrozaworami gazowymi, możliwe jest natychmiastowe usunięcie niebezpiecznych związków chemicznych w przypadku wystąpienia wycieku gazu.

Budowa Instalacji Dostarczającej Gazy Techniczne

W celu zwiększenia wydajności dostawy paliw gazowych zasilających układy energetycznych ze stosami ogniw SOFC o mocy do kilku kilowatów, wybudowana została wiata magazynowa i instalacja technologiczna zasilająca Laboratorium Testowania Ogniw Paliwowych w gazy specjalne: wodór, metan, dwutlenek węgla i azot.

Z wiaty magazynowej gazy doprowadzone zostały rurociągami do hali LTOP i rozprowadzone do punktów poboru, w których usytuowane są stanowiska badawcze.

Wewnątrz hali instalacja została rozbudowana o dodatkowe gazy takie jak: tlenek węgla, hel, argon, powietrze syntetyczne oraz siarko-wodór.

 

Stanowisko Badawcze do Testowania Stosów Ogniw SOFC

Stanowisko badawcze umożliwia badania stosów ogniw paliwowych SOFC o mocy kilku kW, zasilanych paliwami rzeczywistymi oraz symulowanymi (mieszanki gazów).

W skład stanowiska wchodzą m.in.: nagrzewnica powietrza, generator pary, regulatory przepływu gazów, pompa paliwa, wymienniki ciepła i dopalacz gazów.

Uruchomiono wielokanałowy elektrochemiczny spektrometr impedancyjny z elektronicznym obciążeniem prądowym do badań stosów ogniw.

 

tl_files/foto/POIG/Stos SOFC testy 1.jpg  tl_files/foto/POIG/Stos SOFC testy 2.jpg

 

Stanowisko Badawcze do Testowania Elementów Peryferyjnych Układu Energetycznego ze Stosami Ogniw SOFC

Stanowisko badawcze umożliwia pomiary osiągów i charakterystyk pracy urządzeń pomocniczych wchodzących w skład siłowni µ-CHP.

Są to m. in. wymienniki ciepła, dopalacze i oxy-dopalacze paliwa gazowego, rekuperatory, pompy oraz wentylatory.
Specjalnie zaprojektowana kon-strukcja pozwala na szybki montaż i demontaż testowanych urządzeń pomocniczych.

 

tl_files/foto/POIG/Stos SOFC EP 1.jpg  tl_files/foto/POIG/Stos SOFC EP 2.jpg