Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Балқытылған карбонат отын элементтері (MCFC) – 600 °C және одан жоғары температурада жұмыс істейтін жоғары температуралы отын элементтері. Балқытылған карбонат отын элементтері (MCFC) табиғи газ, биогаз (анаэробтық ферментация немесе биомассаны газдандыру нәтижесінде алынған) және электр энергиясын, өнеркәсіптік және әскери мақсаттар үшін көмірге негізделген электр станциялары үшін әзірленген. MCFC – бұл бета-алюминий қатты электролитінің (BASE) кеуекті, химиялық тұрақты керамикалық матрицасында ерітілген карбонат тұз қоспасынан тұратын электролитті пайдаланатын жоғары температуралы отын элементтері. Олар 650 °C және одан жоғары температурада жұмыс істейтіндіктен, анод және катодта катализатор ретінде қымбат емес металдарды қолдануға болады, бұл шығындарды төмендетеді. MCFC-нің жақсартылған тиімділігі – фосфор қышқылы отын элементтеріне (PAFC) қарағанда айтарлықтай шығын үнемдеудің тағы бір себебі. Балқытылған карбонат отын элементтерінің тиімділігі 60%-ға жуық, бұл фосфор қышқылы отын элементтерінің 37–42% тиімділігінен әлдеқайда жоғары. Қалдық жылу жиналып, пайдаланылған жағдайда, отынның жалпы тиімділігі 85%-ға дейін жете алады. Жұмыс қысымы 1-8 атм, ал температура 600-700 °C аралығында. Қалдық отынды (метан, табиғи газ) қайта өңдеу кезінде CO2 бөлінуіне байланысты MCFC толыққанды экологиялық таза технология емес, бірақ оның сенімділігі мен тиімділігі (электрмен бірге жылу өндіруге жеткілікті жылу) арқасында үміт береді. Қазіргі MCFC тиімділігі 60-70% аралығында.
Molten carbonate fuel cells (MCFCs) are high temperature fuel cells that operate at temperatures of 600 °C and above. Molten carbonate fuel cells (MCFCs) were developed for natural gas, biogas (produced as a result of anaerobic digestion or biomass gasification), and coal based power plants for electrical utility, industrial, and military applications. MCFCs are high temperature fuel cells that use an electrolyte composed of a molten carbonate salt mixture suspended in a porous, chemically inert ceramic matrix of beta alumina solid electrolyte (BASE). Since they operate at extremely high temperatures of 650 °C (roughly 1,200 °F) and above, non precious metals can be used as catalysts at the anode and cathode, reducing costs. Improved efficiency is another reason MCFCs offer significant cost reductions over phosphoric acid fuel cells (PAFCs). Molten carbonate fuel cells can reach efficiencies approaching 60%, considerably higher than the 37–42% efficiencies of a phosphoric acid fuel cell plant. When the waste heat is captured and used, overall fuel efficiencies can be as high as 85%. The operating pressure is between 1 8 atm while the temperatures are between 600 and 700 °C. Due to the production of CO2 during reforming of the fossil fuel (methane, natural gas), MCFCs are not a completely green technology, but are promising due to their reliability and efficiency (sufficient heat for co generation with electricity). Current MCFC efficiencies range from 60 to 70%.
Материалдар
MCFC-тің жоғары жұмыс температурасының салдарынан, жасуша ішіндегі жағдайларға төтеп беру үшін материалдарды өте сақтап таңдау қажет. Келесі бөлімдер отын жасушасындағы әртүрлі материалдарды және зерттеулердегі соңғы жаңалықтарды қамтиды.
Due to the high operating temperatures of MCFC's, the materials need to be very carefully selected to survive the conditions present within the cell. The following sections cover the various materials present in the fuel cell and recent developments in research.
Анод
Анод материалы әдетте кезекті (3-6 мкм, 45-70% материалды кеуектілік) Ni негізіндегі қорытпадан тұрады. Ni 2-10% аралығында хроммен немесе алюминиймен қорытылады. Бұл қоспа элементтері дән шекараларында LiCrO2/LiAlO2 түзілуіне мүмкіндік береді, бұл материалдың иілуге төзімділігін арттырады және отын жасушасының жоғары жұмыс температурасында анодтың күйіп кетуіне жол бермейді. Жақындағы зерттеулер отын жасушасының тиімділігін арттыру және жұмыс температурасын төмендету үшін нано-Ni және басқа Ni қорытпаларын пайдалануды қарастырды. Жұмыс температурасын төмендету отын жасушасының қызмет ету мерзімін ұзартады (яғни коррозия жылдамдығын азайтады) және арзан компоненттік материалдарды пайдалануға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, температураның төмендеуі электролиттің иондық өткізгіштігін төмендетеді, сондықтан анод материалдары осы тиімділіктің төмендеуін өтеуі керек (мысалы, қуат тығыздығын арттыру арқылы). Басқа зерттеушілер Ni3Al қорытпасы анодын пайдалану арқылы анодта жұмыс істегенде Ni массасының тасымалдануын азайту және иілуге төзімділікті арттыруды қарастырды.
The anode material typically consists of a porous (3 6 μm, 45 70% material porosity) Ni based alloy. Ni is alloyed with either Chromium or Aluminum in the 2 10% range. These alloying elements allow for formation of LiCrO2/LiAlO2 at the grain boundaries, which increases the materials' creep resistance and prevents sintering of the anode at the high operating temperatures of the fuel cell. Recent research has looked at using nano Ni and other Ni alloys to increase the performance and decrease the operating temperature of the fuel cell. A reduction in operating temperature would extend the lifetime of the fuel cell (i. e. decrease corrosion rate) and allow for use of cheaper component materials. At the same time, a decrease in temperature would decrease ionic conductivity of the electrolyte and thus, the anode materials need to compensate for this performance decline (e. g. by increasing power density). Other researchers have looked into enhancing creep resistance by using a Ni3Al alloy anode to reduce mass transport of Ni in the anode when in operation.
Катод
Ұяшықтың екінші жағында катод материалы литий метатитанатынан немесе литийленген никель оксидіне айналған кеуекті Ni-ден тұрады (литий NiO кристалдық құрылымына енгізіледі). Катодтың ішіндегі кеуектің мөлшері 7-15 мкм аралығында, ал материалдың 60-70% кеуекті болып келеді. Катод материалының басты мәселесі – NiO-ның ерігіштігі, себебі катод карбонатты электролитпен жанасқанда CO2-мен реакцияға түседі. Бұл ерігіштік электролитте Ni металлының шөгінді түзілуіне алып келеді, ал ол электр өткізгіш болғандықтан, отын жасушасы тоқ соғуы мүмкін. Сондықтан, қазіргі зерттеулер NiO катодына MgO қосуды қарастырып жатыр, бұл ерігіштікті шектеуге көмектеседі. Магний оксиді катодта Ni2+ ерігіштігін төмендетіп, электролиттегі шөгінді түзілуін азайтады. Сонымен қатар, дәстүрлі катод материалдарын LiFeO2, LiCoO2, NiO қорытпасымен алмастыру жақсы нәтижелер көрсетіп, катодтың Ni ерігіштігі мәселесін толығымен болдырмайды. Литий карбонатының үлкен үлесі жоғары иондық өткізгіштігіне байланысты қолданылады, бірақ төмен газ ерігіштігі мен оттектің иондық диффузиясы салдарынан 62%-ға дейін шектеледі. Сонымен қатар, Li2CO3 өте коррозиялық электролит болып табылады және карбонаттардың осы арақатынасы коррозия жылдамдығын ең төмен деңгейде ұстайды. Осы мәселелерге байланысты, соңғы зерттеулер калий карбонатын натрий карбонатымен алмастыруға бағытталған. Li/Na электролиті Li/K электролитімен (Li/K негіздірек) салыстырғанда жақсы өнімділікке (жоғары өткізгіштікке) ие және катодтың тұрақтылығын арттырады. Бұған қоса, ғалымдар жасуша жұмыс істеу кезінде материалдағы фазалық өзгерістерді (γ LiAlO2-дан α LiAlO2-ға) болдырмау үшін электролит матрицасын өзгертуді де қарастырып жатыр. Фазалық өзгеріс электролит көлемінің азаюына әкеледі, бұл иондық өткізгіштіктің төмендеуіне себеп болады. Әртүрлі зерттеулер нәтижесінде алюминиймен легирленген α LiAlO2 матрицасы отын жасушасының өнімділігін сақтай отырып, фазалық тұрақтылықты жақсартатыны анықталды. Газ шығарылу температурасы 400°C-қа жетеді, бұл көптеген өнеркәсіптік процестерде қолдануға жеткілікті. Тағы бір мүмкіндік – бу турбинасы арқылы электр қуатын көбейту. Газдың түріне байланысты электр тиімділігі 12%-дан 19%-ға дейін ауытқиды. Бу турбинасы тиімділікті 24%-ға дейін арттыра алады. Бұл құрылғыны жылу-электр энергиясын бірлесіп өндіруге пайдалануға болады.
On the other side of the cell, the cathode material is composed of either Lithium metatitanate or of a porous Ni that is converted to a lithiated nickel oxide (lithium is intercalated within the NiO crystal structure). The pore size within the cathode is in the range of 7 15 μm with 60 70% of the material being porous. The primary issue with the cathode material is dissolution of NiO since it reacts with CO2 when the cathode is in contact with the carbonate electrolyte. This dissolution leads to precipitation of Ni metal in the electrolyte and since it is electrically conductive, the fuel cell can get short circuited. Therefore, current studies have looked into the addition of MgO to the NiO cathode to limit this dissolution. Magnesium oxide serves to reduce the solubility of Ni2+ in the cathode and decreases precipitation in the electrolyte. Alternatively, replacement of the conventional cathode material with a LiFeO2 LiCoO2 NiO alloy has shown promising performance results and almost completely avoids the problem of Ni dissolution of the cathode. A greater fraction of Li carbonate is used due to its higher ionic conductivity but is limited to 62% due to its lower gas solubility and ionic diffusivity of oxygen. In addition, Li2CO3 is a very corrosive electrolyte and this ratio of carbonates provides the lowest corrosion rate. Due to these issues, recent studies have delved into replacing the potassium carbonate with a sodium carbonate. A Li/Na electrolyte has shown to have better performance (higher conductivity) and improves the stability of the cathode when compared to a Li/K electrolyte (Li/K is more basic). In addition, scientists have also looked into modifying the matrix of the electrolyte to prevent issues such as phase changes (γ LiAlO2 to α LiAlO2) in the material during cell operation. The phase change accompanies a volume decrease in the electrolyte which leads to lower ionic conductivity. Through various studies, it has been found that an alumina doped α LiAlO2 matrix would improve the phase stability while maintaining the fuel cell's performance. The exhaust temperature is 400 °C, hot enough to be used for many industrial processes. Another possibility is to make more electric power via a steam turbine. Depending on feed gas type, the electric efficiency is between 12% and 19%. A steam turbine can increase the efficiency by up to 24%. The unit can be used for cogeneration.