Введение

ТПК из расплавленного карбоната (MCFC) – это высокотемпературные топливные элементы, работающие при температурах 600 °C и выше. Топливные элементы из расплавленного карбоната (MCFC) были разработаны для электростанций, работающих на природном газе, биогазе (получаемом в результате анаэробного сбраживания или газификации биомассы) и угле, для использования в энергетике, промышленности и военных целях. MCFC – это высокотемпературные топливные элементы, использующие электролит, состоящий из смеси расплавленных карбонатных солей, суспендированных в пористой, химически инертной керамической матрице твердого электролита на основе бета-алюминия (BASE). Поскольку они работают при чрезвычайно высоких температурах 650 °C (примерно 1200 °F) и выше, в качестве катализаторов на аноде и катоде могут использоваться недрагоценные металлы, что снижает стоимость. Повышенная эффективность – еще одна причина, 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 37–42% у электростанции на топливных элементах на фосфорной кислоте. При улавливании и использовании отработанного тепла общая эффективность использования топлива может достигать 85%. Рабочее давление составляет 1–8 атм, а температура – от 600 до 700 °C. В связи с образованием CO2 при риформинге ископаемого топлива (метан, природный газ), MCFC нельзя считать полностью экологически чистой технологией, однако они перспективны благодаря своей надежности и эффективности (достаточное количество тепла для когенерации электроэнергии). Современная эффективность MCFC составляет от 60 до 70%.

Материалы

Ввиду высоких рабочих температур MCFC, выбор материалов требует особой тщательности, чтобы обеспечить их работоспособность в условиях, создаваемых внутри ячейки. В следующих разделах рассматриваются различные материалы, используемые в топливном элементе, и последние достижения в области исследований.

Анод

Материал анода обычно состоит из пористого (3-6 мкм, 45-70% пористости материала) сплава на основе никеля. Никель легируется хромом или алюминием в диапазоне 2-10%. Эти легирующие элементы обеспечивают образование LiCrO2/LiAlO2 на границах зерен, что повышает стойкость материала к ползучести и предотвращает спекание анода при высоких рабочих температурах топливного элемента. Недавние исследования направлены на использование нано-никеля и других сплавов никеля для повышения эффективности и снижения рабочей температуры топливного элемента. Снижение рабочей температуры увеличит срок службы топливного элемента (то есть уменьшит скорость коррозии) и позволит использовать более дешевые материалы для компонентов. В то же время, снижение температуры уменьшает ионную проводимость электролита, поэтому анодные материалы должны компенсировать это снижение производительности (например, за счет увеличения плотности мощности). Другие исследователи изучали возможность повышения стойкости к ползучести путем использования анода из сплава Ni3Al для снижения массопереноса никеля в аноде во время работы.

Катодная

На другой стороне ячейки катодный материал состоит либо из метатитаната лития, либо из пористого Ni, который преобразуется в литийный оксид никеля (литий интеркалирован в кристаллической структуре NiO). Размер пор внутри катода находится в диапазоне 7-15 мкм, при этом 60-70% материала являются пористыми. Основная проблема катодного материала – растворение NiO, поскольку он реагирует с CO2 при контакте катода с карбонатным электролитом. Это растворение приводит к осаждению металлического Ni в электролите, и, поскольку он электропроводен, топливный элемент может замкнуться. Поэтому в текущих исследованиях рассматривается добавление MgO к катоду NiO для ограничения этого растворения. Оксид магния служит для снижения растворимости Ni2+ в катоде и уменьшает осаждение в электролите. Альтернативно, замена традиционного катодного материала сплавом LiFeO2, LiCoO2 и NiO показала перспективные результаты и практически полностью устраняет проблему растворения Ni в катоде. Используется большая доля карбоната лития из-за его более высокой ионной проводимости, но она ограничена 62% из-за его более низкой растворимости газов и диффузии ионов кислорода. Кроме того, Li2CO3 является сильно коррозионным электролитом, и данное соотношение карбонатов обеспечивает наименьшую скорость коррозии. В связи с этими проблемами недавние исследования направлены на замену карбоната калия карбонатом натрия. Показано, что электролит Li/Na обладает лучшими характеристиками (более высокой проводимостью) и повышает стабильность катода по сравнению с электролитом Li/K (Li/K более щелочной). Кроме того, ученые изучали модификацию матрицы электролита для предотвращения таких проблем, как изменение фазы (γ LiAlO2 в α LiAlO2) в материале во время работы ячейки. Изменение фазы сопровождается уменьшением объема электролита, что приводит к снижению ионной проводимости. Различные исследования показали, что матрица α LiAlO2, легированная оксидом алюминия, повысит фазовую стабильность, сохраняя при этом производительность топливного элемента. Температура выхлопных газов составляет 400 °C, что достаточно для многих промышленных процессов. Другая возможность – получение дополнительной электроэнергии с помощью паровой турбины. В зависимости от типа подаваемого газа электрическая эффективность составляет от 12% до 19%. Паровая турбина может увеличить эффективность до 24%. Устройство может использоваться для когенерации.