Топливный элемент с расплавленным карбонатом - Molten carbonate fuel cell

Схема жидко-карбонатного топливного элемента

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) высокотемпературные топливные элементы это работать при температурах от 600 ° С и выше.

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) в настоящее время разрабатываются для натуральный газ, биогаз (произведено в результате анаэробное пищеварение или газификация биомассы ), и каменный уголь на базе электростанций для электрическая сеть, промышленные и военный Приложения. MCFC - это высокотемпературные топливные элементы, в которых используется электролит состоящий из расплавленной смеси карбонатных солей, взвешенных в пористой химически инертной керамической матрице бета-оксид алюминия твердый электролит (ОСНОВАНИЕ). Поскольку они работают при чрезвычайно высоких температурах от 650 ° C (примерно 1200 ° F) и выше, они не представляют ценности.^{[сомнительный ]} металлы может использоваться как катализаторы на анод и катод, снижая затраты.^[1]

Повышенная эффективность - еще одна причина, по которой MCFC предлагают значительное снижение затрат по сравнению с топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC). Топливные элементы с расплавленным карбонатом могут достигать КПД, приближающегося к 60%, что значительно выше КПД установки топливных элементов на основе фосфорной кислоты 37–42%. Когда отходящее тепло является захвачен и использован, общий КПД топлива может достигать 85%.^[1]

В отличие от щелочной, фосфорная кислота и полимер топливные элементы с электролитной мембраной, MCFC не требуют внешнего риформинга для преобразования более энергоемкого топлива в водород. Из-за высоких температур, при которых работают MCFC, это топливо превращается в водород внутри самого топливного элемента в процессе, называемом внутренним риформингом, что также снижает стоимость.^[1]

Топливные элементы с расплавленным карбонатом не склонны к отравление к монооксид углерода или углекислый газ - они могут даже использовать оксиды углерода в качестве топлива, что делает их более привлекательными для заправки газами из угля. Поскольку они более устойчивы к примесям, чем другие типы топливных элементов, ученые считают, что они могут даже быть способны к внутреннему преобразованию угля, если предположить, что их можно сделать устойчивыми к примесям, таким как сера и твердые частицы, которые образуются в результате преобразования угля, более грязного. ископаемое топливо источник, чем многие другие, в водород. В качестве альтернативы, поскольку для MCFC требуется CO₂ доставляемые на катод вместе с окислителем, их можно использовать для электрохимического отделения диоксида углерода от дымовых газов других электростанций, работающих на ископаемом топливе, для связывания.

Основным недостатком современной технологии MCFC является долговечность. Высокие температуры, при которых работают эти элементы, и используемый коррозионный электролит ускоряют разрушение компонентов и коррозию, сокращая срок их службы. В настоящее время ученые изучают коррозионно-стойкие материалы для компонентов, а также конструкции топливных элементов, которые увеличивают срок службы элементов без снижения производительности.^[1]

Операция

Фон

Расплавленные карбонатные ТЭ - это недавно разработанный тип топливных элементов, предназначенный для малых и крупных систем распределения / генерации энергии, поскольку их выработка энергии находится в диапазоне 0,3–3 МВт.^[2] Рабочее давление составляет 1-8 атм, а температура - 600-700 ° C.^[3] Из-за производства CO₂ во время риформинга ископаемого топлива (метан, природный газ) MCFC не являются полностью зеленой технологией, но являются многообещающими благодаря своей надежности и эффективности (достаточно тепла для когенерации с электричеством). Текущий КПД MCFC находится в диапазоне 60-70%.^[4]

Реакции^[5]

Внутренний реформатор:

${\displaystyle CH_{4}+H_{2}O=3H_{2}+CO}$

Анод:

${\displaystyle H_{2}+CO_{3}^{2-}=H_{2}O+CO_{2}+2e^{-}}$

Катод:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}O_{2}+CO_{2}+2e^{-}=CO_{3}^{2-}}$

Клетка:

${\displaystyle H_{2}+{\frac {1}{2}}O_{2}=H_{2}O}$

Уравнение Нернста:

${\displaystyle E=E^{o}+{\frac {RT}{2F}}log{\frac {P_{H_{2}}P_{O_{2}}^{\frac {1}{2}}}{P_{H_{2}O}}}+{\frac {RT}{2F}}log{\frac {P_{CO_{2},cathode}}{P_{CO_{2},anode}}}}$

Материалы

Из-за высоких рабочих температур MCFC материалы должны быть очень тщательно отобраны, чтобы выдержать условия, существующие в ячейке. В следующих разделах рассматриваются различные материалы, присутствующие в топливных элементах, и последние разработки в области исследований.

Анод

В анод материал обычно состоит из пористый (3-6 мкм, пористость материала 45-70%) Сплав на основе никеля. Ni легирован хромом или алюминием в диапазоне 2-10%. Эти легирующие элементы позволяют образовывать LiCrO₂/ LiAlO₂ на границах зерен, что увеличивает ползать сопротивление и предотвращает спекание анода при высоких рабочих температурах топливного элемента.^[6] В недавних исследованиях рассматривалось использование нано-Ni и других никелевых сплавов для повышения производительности и снижения рабочей температуры топливного элемента.^[7] Снижение рабочей температуры продлит срок службы топливного элемента (то есть снизит скорость коррозии) и позволит использовать более дешевые материалы для компонентов. В то же время снижение температуры уменьшило бы ионную проводимость электролита и, таким образом, материалы анода должны были бы компенсировать это снижение производительности (например, за счет увеличения плотности мощности). Другие исследователи изучали повышение сопротивления ползучести с помощью никелевого сплава.₃Анод из алюминиевого сплава для уменьшения массопереноса Ni в аноде во время работы.^[8]

Катод

На другой стороне камеры катод материал состоит из Метатитанат лития или пористого Ni, который превращается в литированный оксид никеля (литий вставленный в кристаллической структуре NiO). Размер пор внутри катода находится в диапазоне 7-15 мкм, при этом 60-70% материала являются пористыми.^[9] Основная проблема с материалом катода - растворение NiO, поскольку он вступает в реакцию с CO.₂ когда катод находится в контакте с карбонатным электролитом. Это растворение приводит к осаждению металлического Ni в электролите, и, поскольку он электрически проводящий, топливный элемент может замкнуться. Таким образом, в текущих исследованиях изучается возможность добавления MgO к катоду NiO для ограничения этого растворения.^[10] Оксид магния снижает растворимость Ni.²⁺ в катоде и уменьшает осаждение в электролите. В качестве альтернативы, замена обычного катодного материала сплавом LiFeO2-LiCoO2-NiO показала многообещающие результаты и почти полностью исключает проблему растворения никеля на катоде.^[10]

Электролит

MCFC используют жидкость электролит (расплавленный карбонат), который состоит из карбонатов натрия (Na) и калия (K). Этот электролит поддерживается керамической (LiAlO₂) матрица, содержащая жидкость между электродами. Высокие температуры топливного элемента необходимы для получения достаточной ионной проводимости карбоната через этот электролит.^[3] Обычные электролиты MCFC содержат 62% Li₂CO₃ и 38% К₂CO₃.^[11] Большая часть карбоната лития используется из-за его более высокой ионной проводимости, но ограничена до 62% из-за его более низкой растворимости в газах и ионной диффузии кислорода. Кроме того, Ли₂CO₃ представляет собой очень коррозионный электролит, и такое соотношение карбонатов обеспечивает самую низкую скорость коррозии. Из-за этих проблем недавние исследования углубились в замену карбоната калия карбонатом натрия.^[12] Электролит Li / Na показал лучшие характеристики (более высокую проводимость) и улучшил стабильность катода по сравнению с электролитом Li / K (Li / K более базовый ). Кроме того, ученые также изучили возможность модификации матрицы электролита, чтобы предотвратить такие проблемы, как фазовые изменения (γ-LiAlO₂ к α-LiAlO₂) в материале во время работы ячейки. Фазовый переход сопровождается уменьшением объема электролита, что приводит к снижению ионной проводимости. В ходе различных исследований было обнаружено, что легированный оксидом алюминия α-LiAlO₂ матрица улучшит фазовую стабильность при сохранении рабочих характеристик топливного элемента.^[12]

Топливный элемент MTU

Немецкая компания MTU Friedrichshafen представил MCFC на Ганноверская ярмарка в 2006 г. Агрегат весит 2 тонны и может производить 240 кВт электроэнергии из различных видов газообразного топлива, в том числе биогаза. При использовании топлива, содержащего углерод, например природного газа, выхлопные газы будут содержать CO.₂ но будет снижена до 50% по сравнению с дизельными двигателями, работающими на судовом бункерном топливе.^[13] Температура выхлопных газов составляет 400 ° C, что позволяет использовать их во многих промышленных процессах. Другая возможность - производить больше электроэнергии через паровая турбина. В зависимости от типа подаваемого газа электрический КПД составляет от 12% до 19%. Паровая турбина может повысить КПД до 24%. Устройство можно использовать для когенерация.

Смотрите также

• Энергетический портал

• Глоссарий терминов топливных элементов
• Водородные технологии

Рекомендации

1. «Типы топливных элементов». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Министерство энергетики США. Получено 2016-03-18.
2. «Типы топливных элементов - энергия топливных элементов». www.fuelcellenergy.com. Архивировано из оригинал на 2013-08-25. Получено 2015-11-02.
3. «Учебное пособие по NFCRC: топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC)». www.nfcrc.uci.edu. Архивировано из оригинал на 2018-10-08. Получено 2015-11-02.
4. «Типы топливных элементов | Министерство энергетики». energy.gov. Получено 2015-11-02.
5. «Высокотемпературные топливные элементы» (PDF). Вавилонский университет. Получено 1 ноября 2015.
6. Боден, Андреас (2007). «Анод и электролит в MCFC» (PDF). Diva Portal. Получено 1 ноября 2015.
7. Нгуен, Хоанг Вьет Фук; Осман, Мохд Росли; Со, Донхо; Юн, Сон Пиль; Хам, Хён Чхоль; Нам, Сук Ву; Хан, Чжонхи; Ким, Джинсу (4 августа 2014 г.). «Слоистый нано-никелевый анод для улучшения характеристик MCFC при пониженной рабочей температуре». Международный журнал водородной энергетики. 39 (23): 12285–12290. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2014.03.253.
8. Ким, Юн-Сун; Лим, Джун-Хок; Чун, Хай-Су (01.01.2006). «Механизм ползучести пористых анодов MCFC Ni, упрочненных Ni3Al». Журнал Айше. 52 (1): 359–365. Дои:10.1002 / aic.10630. ISSN  1547-5905.
9. Виджаясингхе, Атула (2004). «Разработка и определение характеристик катодных материалов для топливного элемента на расплаве карбоната» (PDF). Получено 2 ноября 2015.
10. Антолини, Эрмете (декабрь 2011 г.). «Стабильность электродов топливных элементов из расплавленного карбоната: обзор последних улучшений». Прикладная энергия. 88 (12): 4274–4293. Дои:10.1016 / j.apenergy.2011.07.009.
11. Фанг, Байцзэн; Лю, Синьюй; Ван, Синьдун; Дуань, Шучжэнь (15 января 1998 г.). «Механизм модификации поверхности анода MCFC». Журнал электроаналитической химии. 441 (1–2): 65–68. Дои:10.1016 / S0022-0728 (97) 00202-7.
12. Кулкарни, А .; Гиддей, С. (08.06.2012). «Проблемы материалов и последние разработки в топливных элементах с расплавленным карбонатом». Журнал электрохимии твердого тела. 16 (10): 3123–3146. Дои:10.1007 / s10008-012-1771-у. ISSN  1432-8488.
13. Эмиссия MCFC

Источники

• https://web.archive.org/web/20060927032111/http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html#molten

внешняя ссылка

• LLNL: Углеродно-воздушные топливные элементы для преобразования угольных углеводородов
• DoD
• Топливный элемент MTU 240 кВт представлен на Ганноверской ярмарке 2006
• Логан Энерджи Лимитед интегрировать, установить и эксплуатировать все технологии топливных элементов
• [1] Расплавленные карбонатные топливные элементы: проблема распределенной генерации
• [2] презентация на Четвертой ежегодной конференции по улавливанию и секвестрации углерода