Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема топливного элемента с расплавом карбоната

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

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) в настоящее время разрабатываются для природного газа , биогаза (получаемого в результате анаэробного сбраживания или газификации биомассы ) и угольных электростанций для электроэнергетических , промышленных и военных применений. MCFC - это высокотемпературные топливные элементы, в которых используется электролит, состоящий из смеси расплавленных карбонатных солей, взвешенных в пористой химически инертной керамической матрице твердого электролита из бета-оксида алюминия (BASE). Поскольку они работают при чрезвычайно высоких температурах 650 ° C (примерно 1200 ° F) и выше, неблагородные [ сомнительные -обсудить ] металлыможно использовать в качествекатализаторовнаанодеикатоде, что снижает затраты. [1]

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

В отличие от топливных элементов с щелочной , фосфорной кислотой и полимерным электролитом мембранные топливные элементы, 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 в самом топливном элементе с помощью процесса, называемого внутренним риформингом, что также снижает стоимость. [1]

Расплавленный карбонат топливных элементы не подвержены отравлениям с помощью окиси углерода или двуокиси углерода - они могут даже использовать оксиды углерода в качестве топлива - делают их более привлекательными для заправки газов , сделанных из угля. Поскольку они более устойчивы к примесям, чем другие типы топливных элементов, ученые полагают, что они могут даже быть способны к внутреннему преобразованию угля, если предположить, что их можно сделать устойчивыми к таким примесям, как сера и твердые частицы, которые возникают в результате преобразования угля, более грязного ископаемого топлива источник, чем многие другие, в водород. В качестве альтернативы, поскольку для MCFC требуется CO 2 доставляемые на катод вместе с окислителем, они могут использоваться 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 службы элементов. 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 [ править ]

Фон [ править ]

ТЭ с расплавом карбоната - это недавно разработанный тип топливных элементов, предназначенный для малых и крупных систем распределения / выработки 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 CO 2 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 совместного производства с электричеством). . Текущая эффективность MCFC колеблется в пределах 60-70%. [4]

Реакции [5] [ править ]

Внутренний реформатор:

Анод:

Катод:

Клетка:

Уравнение Нернста:

Материалы [ править ]

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 [ править ]

Материал анода обычно состоит из пористого (3-6 мкм, пористость материала 45-70%) сплава на основе никеля. Ni легирован хромом или алюминием в диапазоне 2-10%. Эти легирующие элементы позволяют образовывать LiCrO 2 / LiAlO 2 на границах зерен, что увеличивает сопротивление ползучести материалов 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 (т.е. 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 возможность повышения сопротивления ползучести за счет использования анода из сплава Ni 3 Al для уменьшения массопереноса Ni в аноде во время работы. [8]

Катод [ править ]

На другой стороне ячейки катодный материал состоит либо из метатитаната лития, либо из пористого Ni, который превращается в литированный оксид никеля (литий интеркалируется в кристаллическую структуру NiO). Размер пор внутри катода находится в диапазоне 7-15 мкм, при этом 60-70% материала являются пористыми. [9] Основной проблемой катодного материала является 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 является электропроводным, топливный элемент может замкнуться. Поэтому в текущих исследованиях изучается возможность добавления MgO в катод NiO для ограничения этого растворения. [10] Оксид магния снижает растворимость Ni 2+ в катоде и уменьшает осаждение в электролите. Альтернативно, замена обычного катодного материала сплавом LiFeO2-LiCoO2-NiO показала многообещающие результаты и почти полностью устраняет проблему растворения никеля на катоде. [10]

Электролит [ править ]

В MCFC используется жидкий электролит (расплавленный карбонат), который состоит из карбонатов натрия (Na) и калия (K). Этот электролит поддерживается керамической матрицей (LiAlO 2 ), которая удерживает жидкость между электродами. Высокие температуры топливного элемента необходимы для получения достаточной ионной проводимости карбоната через этот электролит. [3] Обычные электролиты MCFC содержат 62% Li 2 CO 3 и 38% K 2 CO 3 . [11] Большая часть карбоната лития используется из-за его более высокой ионной проводимости, но ограничивается 62% из-за его более низкой газовой растворимости и ионной диффузии кислорода. Кроме того, Li 2 CO 3является очень коррозионным электролитом, 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 высокая проводимость) и улучшил стабильность катода по сравнению с электролитом Li / K (Li / K более щелочной ). Кроме того, ученые также изучили возможность модификации матрицы электролита, чтобы предотвратить такие проблемы, как фазовые изменения (от γ-LiAlO 2 до α-LiAlO 2) 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 матрица α-LiAlO 2, легированная оксидом алюминия, может улучшить фазовую стабильность при сохранении рабочих характеристик топливного элемента. [12]

Топливный элемент MTU [ править ]

Немецкая компания MTU Friedrichshafen представила MCFC на Ганноверской ярмарке в 2006 году. Установка весит 2 тонны и может производить 240 кВт электроэнергии из различных видов газообразного топлива, включая биогаз. Если они работают на топливе, содержащем углерод, таком как природный газ, выхлопные газы будут содержать CO 2, но их количество будет уменьшено до 50% по сравнению с дизельными двигателями, работающими на судовом бункерном топливе. [13] 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 подаваемого газа электрический КПД составляет от 12% до 19%. Паровая турбина может повысить КПД до 24%. Устройство можно использовать длякогенерация .

См. Также [ править ]

  • Глоссарий терминов топливных элементов
  • Водородные технологии

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d "Типы топливных элементов" . Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии , Департамент энергетики Соединенных Штатов Америки . Проверено 18 марта 2016 .
  2. ^ "Типы топливных элементов - энергия топливных элементов" . www.fuelcellenergy.com . Архивировано из оригинала на 2013-08-25 . Проверено 2 ноября 2015 .
  3. ^ a b «Учебное пособие по NFCRC: топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC)» . www.nfcrc.uci.edu . Архивировано из оригинала на 2018-10-08 . Проверено 2 ноября 2015 .
  4. ^ "Типы топливных элементов | Министерство энергетики" . energy.gov . Проверено 2 ноября 2015 .
  5. ^ «Высокотемпературные топливные элементы» (PDF) . Вавилонский университет . Проверено 1 ноября 2015 года .
  6. ^ Боден, Андреас (2007). «Анод и электролит в MCFC» (PDF) . Diva Portal . Проверено 1 ноября 2015 года .
  7. ^ Нгуен, Хоанг Вьет Фук; Осман, Мохд Росли; Со, Донхо; Юн, Сон Пиль; Хам, Хён Чхоль; Нам, Сук Ву; Хан, Чонхи; Ким, Джинсу (4 августа 2014 г.). «Слоистый анод из нано-никеля для улучшения характеристик MCFC при пониженной рабочей температуре». Международный журнал водородной энергетики . 39 (23): 12285–12290. DOI : 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. DOI : 10.1002 / aic.10630 . ISSN 1547-5905 . 
  9. ^ Wijayasinghe, Athula (2004). "Разработка и определение характеристик катодных материалов для топливных элементов на расплаве карбоната" (PDF) . Проверено 2 ноября 2015 года .
  10. ^ a b Антолини, Эрмете (декабрь 2011 г.). «Стабильность электродов топливных элементов из расплавленного карбоната: обзор последних улучшений». Прикладная энергия . 88 (12): 4274–4293. DOI : 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. DOI : 10.1016 / S0022-0728 (97) 00202-7 .
  12. ^ a b Kulkarni, A .; Гиддей, С. (08.06.2012). «Вопросы материалов и недавние разработки в топливных элементах с расплавленным карбонатом». Журнал электрохимии твердого тела . 16 (10): 3123–3146. DOI : 10.1007 / s10008-012-1771-у . ISSN 1432-8488 . 
  13. ^ Излучение MCFC

Источники [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • LLNL: Углеродно-воздушные топливные элементы для преобразования угольных углеводородов
  • DoD
  • 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 с расплавленным карбонатом
  • [2] презентация на Четвертой ежегодной конференции по улавливанию и секвестрации углерода.