Cyber-Fuel-Cell: ПРЯМОЕ ОКИСЛЕНИЕ УГЛЯ В ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

«DIRECT CARBON OXIDATION IN SOLID OXIDE FUEL CELLS - DCFC»

ПРЯМОЕ ОКИСЛЕНИЕ УГЛЯ В ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ - DCFC

КАТАЛИЗ

CATALYSIS

Статья поступила в редакцию 26.12.10. Ред. рег. № 919 The article has entered in publishing office 26.12.10. Ed. reg. No. 919

УДК 541.135

ПРЯМОЕ ОКИСЛЕНИЕ УГЛЯ В ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ - DCFC

12 3 1

А.С. Липилин , Ю.И. Балашов , В.В. Чебыкин , В.И. Крутиков

1 Институт электрофизики УрО РАН 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106

Е-mail: lipilin@iep.uran.ru

2 Stanford Research Institute SRI International, 333 Ravenswood Avenue Menlo Park, California, USA 3 Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, д. 22 Тел.: 8 (343) 374-50-89

Заключение совета рецензентов: 16.01.11

Заключение совета экспертов: 20.01.11

Принято к публикации: 25.01.11

Твердооксидные топливные элементы всегда были нацелены на высокоэффективное преобразование химической энергии твердого топлива - угля в электрическую энергию.

Технически эта задача решена благодаря использованию жидкого анода на основе расплава солей и введения в расплав порошка твердого топлива - угля.

Такие топливные элементы для прямого окисления угля принято называть

- Direct Carbon Fuel Cells (DCFC).

Лабораторные испытания в течение 1200 ч показали возможность получения при температурах 800-950 °С удельной мощности более 300 мВт/см2.

Была экспериментально проверена концепция многоэлементной батареи.

В результате проведенных работ было показано, что энергоустановки для прямого окисления угля на твердооксидных топливных элементах - DCFC могут быть реализованы с удельными характеристиками до 20 кВтч/л и КПД более 70%.

Ключевые слова:

прямое окисление угля, ТОТЭ,

твердый электролит,

катод - манганит лантана-стронция,

жидкий анод -расплав солей.

DIRECT CARBON OXIDATION IN SOLID OXIDE FUEL CELLS - DCFC A.S.

Lipilin1, I.I. Balashov2, V.V. Chebykin3, V.I. Krutikov1

'Institute of Electrophysics UD RAS, 106 Amundsen Str., Ekaterinburg, 620016, Russia Е-mail: lipilin@iep.uran.ru 2Stanford Research Institute SRI International, 333 Ravenswood Avenue Menlo Park, California, USA 3Institute of High-Temperature Electrochemistry UD RAS 22 S.Kovalevskaya str., Ekaterinburg, 620219, Russia Tel.: 8 (343) 374-50-89

Referred:16.01.11

Expertise: 20.01.11

Accepted: 25.01.11

Solid oxide fuel cells have always been focused on highly efficient converting of chemical energy of solid fuels - from coal to electrical energy. Technically, this problem is solved by using a liquid anode based on salt melt and the introduction of powder into the melt of solid fuels - into coal. These fuel cells for direct oxidation of coal are usually called - Direct Carbon Fuel Cells (DCFC).

Laboratory tests for 1200 h showed the possibility of obtaining at temperatures of 800-950 X power density of more than 300 mW/cm2.

The concept of multi-element battery was experimentally tested. As a result of this work it has been shown that the power plant for the direct oxidation of coal in solid oxide fuel cells - DCFC can be implemented with the specific characteristics of up to 20 kWh/l and with efficiency of 70%.

Keywords: direct oxidation of coal, SOFC, solid electrolyte, cathode -lanthanum strontium manganite, liquid anode - molten salts.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (92) 2010

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Введение

В настоящее время проблемы энергосбережения и энергоэффективного преобразования химической энергии топлива в электричество приобретают все большую актуальность. Это связано не только с ис-черпаемостью природных ископаемых ресурсов: угля, нефти, газа, но и с низким коэффициентом полезного действия (КПД) традиционных, широко используемых процессов перевода их химической энергии в электричество.

Рис. 1. Прямое преобразование химической энергии угля в электрическую энергию: а - «электродвижущий элемент» П.Н. Яблочкова - 1876 г.; b - «угольный генератор»,

W.Jacques - 1896 г. Fig. 1. Direct conversion of chemical energy of coal into electrical energy: а - "electromotive element" P.Yablochkov -1876; b - "carbon generator", W.Jacques - 1896

Еще в 1876 г. великий российский электротехник Павел Николаевич Яблочков, желая более эффективно использовать уголь для получения электричества, получил патент (французскую привилегию) на особый «электродвижущий элемент», в котором электрический ток образовывался за счет «реакции расплавленных нитратов вообще и нитрата натрия в частности - на уголь» [1] (рис. 1, а). По сути это был первый прототип топливного элемента с расплавленным электролитом. Зная об этих опытах и не желая мириться с 10%-й эффективностью преобразования угля в паровых машинах, W. Ostwald и W. Nernst в 1894 г. обосновали тезис, что нельзя энергию угля переводить в тепловую энергию, что необходимо прямое преобразование химической энергии в электричество, что преобразование надо вести в электрохимических устройствах [2].

В 1896 г. William Jacques сообщил о своих экспериментах по производству «электричества прямо из угля» и получил патент [3].

Созданный им «угольный генератор», по сути, был первым электрохимическим генератором на топливных элементах с расплавленным электролитом (рис. 1, b), расходуемым топливом (углем) и подаваемым окислителем (воздухом). Устройство состояло из угольных палочек, погруженных в расплавленный гидроксид калия; производило выходную мощность - 1529 Вт и имело КПД около 32%.

Прямое использование конструкций электрохимических ячеек с твердым анодом (С) и твердым электролитом на основе диоксида циркония (YSZ) [4-6] в прошлом веке не принесло ожидаемого успеха, поскольку зона реакции твердое топливо - твердый электролит в процессе протекания реакции блокировалась газообразными продуктами реакции CO и СО2.

Технически эта задача была решена благодаря использованию жидкого анода на основе расплава солей [7]. Такие топливные элементы для прямого окисления угля принято называть - Direct Carbon Fuel Cells (DCFC).

Основы DCFC

В США на Fuel Cell семинаре (2005) на секции перспективных исследований (Direct Carbon Conversion Workshop) были рассмотрены новые технологии прямого окисления угля в топливных элементах - Direct Coal Fuel Cell.

По своей сути это можно рассматривать как возвращение на новом техническом уровне к решению задачи, определившей зарождение высокотемпературных топливных элементов в конце 19 века.

Разработчики DCFC чаще всего повторяли идеи, используя расплавкарбонат-ный и твердооксидный электролиты, или предлагали на их основе новые технологии.

Сравним наиболее часто используемые топлива в ТОТЭ - водород и природный газ - с углем.

Реальная эффективность процессов окисления выбранных топлив при 1000 °С, рассчитанная по формуле пэфф = = ППиПк где пт - термодинамический КПД; ци - КПД

по напряжению; % - КПД использования топлива, приведена в таблице.

Следует сразу заметить, что для твердого топлива (С), являющегося в ТОТЭ по-тенциалобразующим компонентом, при наличии контакта с твердым электролитом и полном окислении КПД Фарадея может быть равен 100% (% = 1).

Как видно из таблицы, эффективность использования в качестве топлива угля почти в два раза выше электрохимического окисления идеального топлива ТОТЭ - водорода. По сути термодинамический КПД и обуславливает величину реально достижимого эффективного КПД.

0 200 400 600 800 1000

Т,град. С

Рис. 2. Зависимость термодинамического КПД от температуры для основных реакций окисления топлива Fig. 2. Dependence of thermodynamic efficiency on the temperature for the main reactions of oxidation of fuel

Температурная зависимость термодинамического КПД для основных реакций окисления топлива в ТОТЭ приведена на рис. 2. Можно рассматривать следующие реакции:

1. Окисление водорода: Н2 + 1/2О2 = Н2О (водородная энергетика);

2. Окисление метана: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О (прямое окисление СН4 в ТОТЭ не идет);

3. Окисление монооксида углерода: СО + 1/2О2 = СО2 (СО в составе синтез-газа: продукты конверсии природного газа; продукты газификации угля; биотоплива - углеводородная энергетика на основе ископаемого сырья, возобновляемые источники энергии -продукты жизнедеятельности человека);

4. Окисление угля: С + О2 = СО2 (прямое полное окисление угля);

5. Частичное окисление угля: С + 1/2О2 = СО (процесс прямого преобразования в электроэнергию не только химической энергии топлива, но и тепловой энергии).

Для реакций 1 и 3 КПД с ростом температуры падает до 70 и 60% соответственно. Для полного окисления угля КПД равен единице. Если бы удалось произвести прямое окисление метана по реакции 2, то термодинамический КПД тоже был бы около единицы. К сожалению, при использовании природного газа в качестве топлива ТОТЭ его необходимо сначала преобразовать в синтез-газ (Н2 + СО), который и будет окисляться на электроде по двум вышеуказанным реакциям. Если реализовать частичное окисление угля, то для поддержания температуры реакции будет необходимо подводить тепло от внешнего источника, что приведет к увеличению эффективного КПД. В случае использования в качестве топлива продуктов конверсии природного газа, продуктов газификации угля, биотоплива термодинамический КПД будет зависеть от отношения водорода и монооксида углерода в синтез-газе и с ростом температуры будет уменьшаться. При температуре 1000 °С пт в пределе составит 65-68%. Только для идеальной реакции прямого окисления метана КПД мог бы быть равен 100%.

При этом надо понимать, что используемый некоторыми авторами термин «конверсия» метана на электроде ТОТЭ на самом деле не подразумевает процесса прямого окисления метана. Для проверки, идет ли прямое окисление или идет процесс преобразования метана в синтез-газ, достаточно снять температурную зависимость ЭДС и рассчитать КПД. Расчет температурной зависимости термодинамических значений ЭДС для следующих реакций:

1. С + 1/2О2 = СО (парциальное окисление углерода);

2. С + О2 = СО2 (полное окисление углерода);

3. Н2 + 1/2О2 = Н2О (окисление водорода);

4. СО + 1/2О2 = СО2 (окисление монооксида углерода);

5. СН4 + 2О2 = СО2+2Н2О (прямое окисление метана)

показывает, что только для первой реакции с р

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком