Топливные элементы на основе расплавленного карбоната ( РТКЭ ) представляют собой высокотемпературные топливные элементы , работающие при температурах 600 °C и выше.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC) были разработаны для природного газа , биогаза (полученного в результате анаэробного сбраживания или газификации биомассы ) и угольных электростанций для электроэнергетических , промышленных и военных целей. MCFC — это высокотемпературные топливные элементы, которые используют электролит , состоящий из смеси расплавленных карбонатных солей, взвешенных в пористой, химически инертной керамической матрице твердого электролита бета-оксида алюминия (BASE). Поскольку они работают при чрезвычайно высоких температурах 650 °C (примерно 1200 °F) и выше, недрагоценные металлы могут использоваться в качестве катализаторов на аноде и катоде , что снижает затраты. [1]
Улучшенная эффективность — еще одна причина, по которой MCFC предлагают значительное снижение затрат по сравнению с топливными элементами на основе фосфорной кислоты (PAFC). Топливные элементы на основе расплавленного карбоната могут достигать эффективности, приближающейся к 60%, что значительно выше эффективности 37–42% установки с топливными элементами на основе фосфорной кислоты. Когда отходящее тепло улавливается и используется , общая топливная эффективность может достигать 85%. [1]
В отличие от щелочных , фосфорнокислотных и полимерных электролитных мембранных топливных элементов, MCFC не требуют внешнего реформера для преобразования более энергоемкого топлива в водород . Из-за высоких температур, при которых работают MCFC, эти виды топлива преобразуются в водород внутри самого топливного элемента с помощью процесса, называемого внутренним реформингом, что также снижает стоимость. [1]
Топливные элементы из расплавленного карбоната не подвержены отравлению оксидом 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 даже могут быть способны к внутреннему риформингу угля, предполагая, что их можно сделать устойчивыми к примесям, таким как сера и твердые частицы, которые возникают при преобразовании угля, более грязного источника ископаемого топлива , чем многие другие, в водород. В качестве альтернативы, поскольку MCFC требуют подачи CO2 на катод вместе с окислителем, их можно использовать для электрохимического отделения диоксида углерода от дымового газа других электростанций, работающих на ископаемом топливе, для секвестрации.
Основным недостатком современной технологии MCFC является долговечность. Высокие температуры, при которых работают эти ячейки, и используемый едкий электролит ускоряют разрушение компонентов и коррозию, сокращая срок службы ячеек. В настоящее время ученые изучают коррозионно-стойкие материалы для компонентов, а также конструкции топливных ячеек, которые увеличивают срок службы ячеек без снижения производительности. [1]
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната — это недавно разработанный тип топливных элементов, предназначенный для малых и больших систем распределения/генерации энергии, поскольку их мощность находится в диапазоне 0,3–3 МВт. [2] Рабочее давление составляет от 1 до 8 атм, а температура — от 600 до 700 °C. [3] Из-за образования CO2 во время риформинга ископаемого топлива (метана, природного газа) MCFC не являются полностью зеленой технологией, но являются многообещающими благодаря своей надежности и эффективности (достаточное количество тепла для когенерации с электричеством). Текущая эффективность MCFC составляет от 60 до 70%. [4]
Внутренний риформер (пример метана):
Анод (пример водорода):
Катод:
Клетка:
Уравнение Нернста:
Из-за высоких рабочих температур MCFC-элементов материалы должны быть очень тщательно подобраны, чтобы выдержать условия, существующие внутри ячейки. В следующих разделах рассматриваются различные материалы, присутствующие в топливном элементе, и последние разработки в области исследований.
Материал анода обычно состоит из пористого (3-6 мкм, пористость материала 45-70%) сплава на основе Ni. Ni легируется либо хромом, либо 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] Недавние исследования рассматривали использование нано Ni и других сплавов Ni для повышения производительности и снижения рабочей температуры топливного элемента. [7] Снижение рабочей температуры продлит срок службы топливного элемента (т. е. уменьшит скорость коррозии) и позволит использовать более дешевые материалы компонентов. В то же время снижение температуры приведет к снижению ионной проводимости электролита, и, таким образом, материалы анода должны компенсировать это снижение производительности (например, за счет увеличения плотности мощности). Другие исследователи изучали повышение сопротивления ползучести путем использования анода из сплава Ni 3 Al для снижения массопереноса Ni в аноде во время работы. [8]
С другой стороны ячейки катодный материал состоит либо из метатитаната лития , либо из пористого Ni, который преобразуется 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 реагирует с CO2, когда катод контактирует с карбонатным электролитом. Это растворение приводит к осаждению металлического Ni в электролите, и поскольку он является электропроводящим, топливный элемент может закоротить. Поэтому текущие исследования рассматривали добавление MgO к катоду NiO для ограничения этого растворения. [10] Оксид магния служит для снижения растворимости Ni2 + в катоде и уменьшает осаждение в электролите. В качестве альтернативы замена обычного катодного материала на сплав LiFeO2-LiCoO2-NiO показала многообещающие результаты производительности и почти полностью устраняет проблему растворения Ni в катоде. [10]
MCFC используют жидкий электролит (расплавленный карбонат), который состоит из карбоната натрия (Na) и калия (K). Этот электролит поддерживается керамической матрицей (LiAlO 2 ) для удержания жидкости между электродами. Высокие температуры топливного элемента необходимы для создания 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 доля карбоната Li используется из-за его более высокой ионной проводимости, но ограничена 62% из-за его более низкой растворимости в газе и ионной диффузии кислорода. Кроме того, Li 2 CO 3 является очень едким электролитом, и это соотношение карбонатов обеспечивает самую низкую скорость коррозии. Из-за этих проблем недавние исследования были направлены на замену карбоната калия карбонатом натрия. [12] Электролит Li/Na показал лучшую производительность (более высокую проводимость) и улучшает стабильность катода по сравнению с электролитом Li/K (Li/K более основной ). Кроме того, ученые также изучали возможность модификации матрицы электролита, чтобы предотвратить такие проблемы, как фазовые изменения (γ-LiAlO 2 в α-LiAlO 2 ) в материале во время работы элемента. Фазовое изменение сопровождает уменьшение объема электролита, что приводит к снижению ионной проводимости. В ходе различных исследований было обнаружено, что матрица α-LiAlO 2 с легированием оксидом алюминия улучшит фазовую стабильность, сохраняя при этом производительность топливного элемента. [12]
Немецкая компания MTU Friedrichshafen представила MCFC на Ганноверской ярмарке в 2006 году. Устройство весит 2 тонны и может вырабатывать 240 кВт электроэнергии из различных газообразных видов топлива, включая биогаз. При использовании топлива, содержащего углерод, такого как природный газ, выхлопные газы будут содержать CO2, но их количество будет снижено до 50% по сравнению с дизельными двигателями, работающими на морском бункерном топливе. [13] Температура выхлопных газов составляет 400 °C, что достаточно для использования во многих промышленных процессах. Другая возможность — вырабатывать больше электроэнергии с помощью паровой турбины . В зависимости от типа исходного газа электрический КПД составляет от 12% до 19%. Паровая турбина может повысить КПД до 24%. Устройство можно использовать для когенерации .
