Топливный элемент с расплавленным карбонатом

Схема топливного элемента с расплавленным карбонатом

Топливные элементы с расплавленным карбонатом ( MCFC ) — это высокотемпературные топливные элементы , которые работают при температуре 600 °C и выше.

расплавленным карбонатом (MCFC) были разработаны для газа , биогаза (полученного в результате анаэробного сбраживания или газификации биомассы ) и угольных электростанций Топливные элементы с природного для электроэнергетики , промышленности и военного применения. MCFC — это высокотемпературные топливные элементы, в которых используется электролит, состоящий из расплавленной смеси карбонатных солей, суспендированной в пористой, химически инертной керамической матрице из твердого электролита на основе бета-глинозема (BASE). Поскольку они работают при чрезвычайно высоких температурах 650 °C (примерно 1200 °F) и выше, недрагоценные металлы можно использовать в качестве катализаторов на аноде и катоде , что снижает затраты.

Повышенная эффективность является еще одной причиной, по которой MCFC обеспечивают значительное снижение затрат по сравнению с топливными элементами на фосфорной кислоте (PAFC). Топливные элементы из расплавленного карбоната могут достигать эффективности, приближающейся к 60%, что значительно выше, чем эффективность 37–42% установки топливных элементов на фосфорной кислоте. Когда отходящее тепло улавливается и используется , общая эффективность использования топлива может достигать 85%.

В отличие от топливных элементов с мембраной из щелочной , фосфорной кислоты и полимерного электролита, MCFC не требуют внешнего риформера для преобразования более энергоемкого топлива в водород . Из-за высоких температур, при которых работают MCFC, это топливо преобразуется в водород внутри самого топливного элемента с помощью процесса, называемого внутренним риформингом, что также снижает стоимость.

Топливные элементы с расплавленным карбонатом не подвержены отравлению окисью углерода или диоксидом углерода — они даже могут использовать оксиды углерода в качестве топлива, что делает их более привлекательными для заправки газами, полученными из угля. Поскольку они более устойчивы к примесям, чем другие типы топливных элементов, ученые полагают, что они могут даже быть способны к внутреннему риформингу угля, предполагая, что их можно сделать устойчивыми к примесям, таким как сера и твердые частицы, образующимся в результате переработки угля, более грязного ископаемого топлива. источник, чем многие другие, в водород. Альтернативно, поскольку MCFC требуют доставки CO ₂ к катоду вместе с окислителем, их можно использовать для электрохимического отделения диоксида углерода от дымовых газов других электростанций, работающих на ископаемом топливе, для секвестрации.

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

Операция

Фон

ТЭ на расплавленном карбонате представляют собой недавно разработанный тип топливных элементов, предназначенный для малых и крупных систем распределения/генерации энергии, поскольку их мощность находится в диапазоне 0,3–3 МВт. Рабочее давление составляет от 1 до 8 атм, а температура от 600 до 700 °C. Из-за производства CO ₂ при риформинге ископаемого топлива (метана, природного газа) MCFC не являются полностью «зеленой» технологией, но перспективны благодаря своей надежности и эффективности (достаточно тепла для когенерации с электроэнергией). Текущая эффективность MCFC колеблется от 60 до 70%.

Реакции

Внутренний риформер (пример метана):

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

Анод (пример водорода):

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

Катод:

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

Клетка:

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

Уравнение Нернста:

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

Материалы

Из-за высоких рабочих температур MCFC материалы необходимо выбирать очень тщательно, чтобы они выдержали условия, существующие внутри элемента. Следующие разделы посвящены различным материалам, присутствующим в топливных элементах, и последним разработкам в области исследований.

Анод

Материал анода обычно состоит из пористого (3–6 мкм, пористость материала 45–70%) сплава на основе Ni. Ni легирован либо хромом, либо алюминием в диапазоне 2-10%. Эти легирующие элементы позволяют образовывать LiCrO ₂ /LiAlO ₂ материалов на границах зерен, что повышает сопротивление ползучести и предотвращает спекание анода при высоких рабочих температурах топливного элемента. Недавние исследования рассматривали возможность использования нано-никеля и других никелевых сплавов для повышения производительности и снижения рабочей температуры топливного элемента. Снижение рабочей температуры продлит срок службы топливного элемента (т.е. уменьшит скорость коррозии) и позволит использовать более дешевые материалы для компонентов. В то же время снижение температуры приведет к уменьшению ионной проводимости электролита, и, следовательно, материалы анода должны компенсировать это снижение производительности (например, за счет увеличения удельной мощности). Другие исследователи изучали возможность повышения сопротивления ползучести за счет использования анода из сплава Ni ₃ Al для уменьшения массопереноса Ni в аноде во время работы.

Катод

На другой стороне ячейки материал катода состоит либо из метатитаната лития , либо из пористого Ni, который превращается в литированный оксид никеля (литий интеркалирован в кристаллическую структуру NiO). Размер пор внутри катода находится в диапазоне 7–15 мкм, при этом 60–70% материала является пористым. Основной проблемой, связанной с материалом катода, является растворение NiO, поскольку он вступает в реакцию с CO ₂ при контакте катода с карбонатным электролитом. Это растворение приводит к осаждению металлического никеля в электролите, а поскольку он электропроводен, топливный элемент может получить короткое замыкание. Поэтому текущие исследования изучают добавление MgO к катоду NiO, чтобы ограничить это растворение. Оксид магния снижает растворимость Ni. ²⁺ в катоде и уменьшает осадки в электролите. Альтернативно, замена обычного материала катода сплавом LiFeO2-LiCoO2-NiO показала многообещающие результаты и почти полностью позволяет избежать проблемы растворения Ni в катоде.

Электролит

В MCFC используется жидкий электролит (расплавленный карбонат), который состоит из карбонатов натрия (Na) и калия (K). Этот электролит поддерживается керамической матрицей (LiAlO ₂ ), удерживающей жидкость между электродами. Высокие температуры топливного элемента необходимы для обеспечения достаточной ионной проводимости карбоната через этот электролит. Обычные электролиты MCFC содержат 62% Li ₂ CO ₃ и 38% K ₂ CO ₃ . Используется большая доля карбоната лития из-за его более высокой ионной проводимости, но она ограничена 62% из-за его более низкой растворимости в газе и коэффициента ионной диффузии кислорода. Кроме того, Li ₂ CO ₃ является очень агрессивным электролитом и такое соотношение карбонатов обеспечивает наименьшую скорость коррозии. Из-за этих проблем недавние исследования были направлены на замену карбоната калия карбонатом натрия. Электролит Li/Na показал лучшие характеристики (более высокую проводимость) и улучшает стабильность катода по сравнению с электролитом Li/K (Li/K является более основным ). Кроме того, ученые также рассмотрели возможность модификации матрицы электролита, чтобы предотвратить такие проблемы, как фазовые изменения (γ-LiAlO ₂ на α-LiAlO ₂ ) в материале во время работы элемента. Фазовый переход сопровождается уменьшением объема электролита, что приводит к снижению ионной проводимости. В результате различных исследований было обнаружено, что матрица α-LiAlO ₂ , легированная оксидом алюминия , улучшает фазовую стабильность, сохраняя при этом рабочие характеристики топливного элемента.

Топливный элемент МТУ

Немецкая компания MTU Friedrichshafen представила MCFC на Ганноверской ярмарке в 2006 году. Установка весит 2 тонны и может производить 240 кВт электроэнергии из различных газообразных видов топлива, включая биогаз. При использовании топлива, содержащего углерод, такого как природный газ, выхлопные газы будут содержать CO ₂ , но его содержание будет уменьшено на 50 % по сравнению с дизельными двигателями, работающими на судовом бункерном топливе. Температура выхлопных газов составляет 400 °C, что достаточно для использования во многих промышленных процессах. Другая возможность – производить больше электроэнергии с помощью паровой турбины . В зависимости от типа сырьевого газа электрический КПД составляет от 12% до 19%. Паровая турбина может повысить КПД до 24%. Установка может быть использована для когенерации .

См. также

• Глоссарий терминов топливных элементов
• Водородные технологии

Источники

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

Внешние ссылки

• LLNL: Конверсия углерода, полученного из угля, в углеродно-воздушных топливных элементах
• Министерство обороны
• Топливный элемент MTU 240 кВт представлен на Ганноверской ярмарке 2006 г.
• Logan Energy Limited интегрирует, устанавливает и эксплуатирует все технологии топливных элементов.
• [1] Проблема распределенной генерации топливных элементов из расплавленного карбоната
• [2] презентация на Четвертой ежегодной конференции по улавливанию и секвестрации углерода.