SENTENCE

Jednostka finansująca – Narodowe Centrum Nauki

Zespół badawczy:

Dr inż. Łukasz Szabłowski – kierownik

Dr inż. Małgorzata Wójcik

Dr inż. Arkadiusz Szczęśniak

mgr inż. Olaf Dybiński

mgr inż. Aliaksandr Martsinchyk

Cel badań:

Głównym celem projektu jest opracowanie nowatorskiego sposobu realizacji elektrochemicznej konwersji metanu do wodoru. Ze względu na specyfikę modus operandi MCFC i reformera, badania te powinny mieć interdyscyplinarny charakter, uwzględniając zjawiska elektrochemiczne, katalityczne, oraz wymiany masy, energii i ładunku elektrycznego. Celem projektu są badania procesów elektrochemicznej generacji pary wodnej podczas pracy ogniwa paliwowego, a następnie jej reakcja z metanem podczas rozkładu metanu do wodoru w reaktorze stanowiącym anodę ogniwa MCFC.

Plan badań:

1. Opracowanie modeli numerycznych umożliwiających analizę zjawisk zachodzących podczas parowego rozkładu metanu na anodzie ogniwa paliwowego – badania wpływu parametrów katalizatora na tempo reakcji.
2. Opracowanie modeli dyskretnych reakcji kinetycznych umożliwiających analizę pracy strony anodowej ogniwa w pełnym zakresie obciążenia – określenie wpływu parametrów geometrycznych katalizatora, oraz kolektora prądowego na charakterystyki zachodzących procesów.
3. Przeprowadzenie badań doświadczalnych dla wybranych wariantów katalizator vs. kolektor prądowy w pełnym zakresie obciążenia ogniwa – wyznaczenie charakterystyki ogniwa oraz określenie obciążenia granicznego.
4. Walidacja opracowanych modeli numerycznych wynikami badań doświadczalnych.
5. Analiza składów gazów wylotowych dla poszczególnych wariantów umożliwiająca ocenę stopnia reakcji katalitycznej newralgicznych stanów pracy ogniwa.
6. Analiza i opracowanie wyników badań.

Do najważniejszych osiągnięć zrealizowanego projektu badawczego należy zaliczyć:

Przeprowadzenie pierwszego na świecie, udanego eksperymentu polegający na wykorzystaniu reformingu parowego metanu zachodzącego w kanale anodowym węglanowego ogniwa paliwowego. Eksperyment ten opisany został w sekcji "Wybrane rezultaty".

Wpływ na dyscyplinę:

W dostępnej literaturze związanej z tematem projektu opisano szereg badań dotyczących reakcji reformingu parowego metanu. Większość z tych badań dotyczy procesów zachodzących w oddzielnych reformerach w obecności katalizatora.

W dostępnej literaturze nie znaleziono danych dotyczących procesu reformingu parowego metanu realizowanego bezpośrednio w kanale anodowym ogniwa paliwowego MCFC w obecności katalizatora. W dotychczas opublikowanych (przez zespół naukowy pochodzący z Włoch) wynikach eksperymentów węglanowe ogniwo paliwowe było zasilane gazem "poreformingowym o symulowanym składzie”.

Dlatego proponowane w tym projekcie badania i symulacje mogą służyć poszerzeniu wiedzy na temat kinetyki reakcji chemicznych zachodzących w kanale anodowym węglanowego ogniwa paliwowego zasilanego mieszaniną metanu i pary wodnej.

Wybrane rezultaty:

W ramach projektu przeprowadzono badania nad reformingiem parowym metanu w kanale anodowym ogniwa paliwowego. W artykule opublikowanym w Energies 2022, 15(2), 608 (IF 3,252, 140 punktów wg MNiSW)  przedstawiono model matematyczny ogniwa paliwowego MCFC zasilanego metanem z rutenowym katalizatorem w kanale anodowym.

Porównanie wyników modelu z danymi eksperymentalnymi dla ogniwa zasilanego metanem przy różnych stosunkach S/C dla temperatury pracy równej 550°C (góra) i 650°C (dół)

Opracowanie to zawiera model procesu reformingu parowego zachodzącego w kanale anodowym ogniwa paliwowego MCFC oraz model samego ogniwa. Do opisu działania węglanowego ogniwa paliwowego zastosowano model zredukowany, natomiast do opisu procesu reformingu parowego metanu posłużono się modelem kinetycznym. Obliczenia procesu reformingu wykonano w programie Aspen HYSYS. Do analizy wydajności procesu reformingu wykorzystano cztery wartości stosunku pary wodnej do węgla (steam to carbon ratio): 2,0; 2,5; 3,0 i 3,5. W pierwszej fazie model kinetyki reakcji oparto na danych z literatury, w dalszym kroku zwalidowano go na badaniach eksperymentalnych przeprowadzonych w Laboratorium Ogniw Paliwowych w Instytucie Techniki Cieplnej PW. Jak się później okazało, był to pierwszy na świecie, udany eksperyment tego typu. W dotychczas opublikowanych (przez zespół naukowy pochodzący z Włoch) wynikach eksperymentów węglanowe ogniwo paliwowe było zasilane gazem "poreformingowym o symulowanym składzie”.