Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem, MCFC (ang. Molten Carbonate Fuel Cell) - to rodzaj wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego, pracującego przy t=600 °C i wyżej.

Ogniwa te powstały w latach sześćdziesiątych XX w. i były bardzo drogie ze względu na elektrody wykonane z metali szlachetnych. W latach siedemdziesiątych XX w. elektrody zaczęto wykonywać z niklu (Ni) i jego tlenku (NiO) oraz chromu (Cr). Dzięki temu udało się obniżyć nie tylko cenę, ale i zwiększyć moc z 10 mW/cm do 150 mW/cm.

Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie), w których energia wytwarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń (co znacznie ogranicza czas ich pracy), ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin, a ogniwa paliwowe są gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania.

Czołowym wytwórcą ogniw MCFC w Stanach Zjednoczonych jest firma FuelCell Energy.

Budowa i zasada działania

Elektrolitem w ogniwach węglanowych są stopione w temperaturze 650 °C węglany litu lub potasu (Li2CO3 lub K2CO3), umieszczone w spieku ceramicznym LiAlO2. Anodę stanowi spiek Ni wzbogacony Cr, a katodę spiek tlenku niklu z litem. Paliwem może być CO z niepełnego spalenia węgla, H2, gaz wodny (CO+H2), CH4 i inne palne nośniki energii.

Katoda (gr. kata - "w dół", hodós - "ścieżka") - elektroda, z której do układu dostaje się ładunek ujemny lub jest absorbowany ładunek dodatni. W zależności od charakteru układu lub urządzenia elektrycznego (kierunku przepływającego przez nie prądu elektrycznego), katoda może być elektrodą dodatnią lub ujemną. Katoda występuje zawsze w parze z elektrodą jej przeciwną pod względem znaku, czyli anodą.

Anoda (gr. ana - "w górę", hodós - "ścieżka") - rodzaj elektrody, przez którą ładunek ujemny opuszcza dany układ elektryczny lub do układu jest dostarczany ładunek dodatni. W zależności od charakteru układu (kierunku przepływającego przez niego prądu elektrycznego), anoda może być elektrodą dodatnią lub ujemną i występuje zawsze w parze z elektrodą jej przeciwną pod względem znaku, czyli katodą.

Reakcje zachodzące w ogniwie MCFC, gdy paliwem jest wodór, są następujące: katoda: O2 + 4e + 2CO2 → 2CO−3 anoda: 2H2 + 2CO−3 → 2H2O + 4e + 2CO2

Zasada działania ogniwa MCFC ujęta w czterech etapach reakcji:

absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie oraz 2 cząsteczek wodoru na anodzie
jonizacja 2 atomów tlenu i absorpcja 2 cząsteczek CO2 oraz powstanie 2 anionów węglanowych na katodzie oraz jonizacja 4 atomów wodoru do 4 protonów na anodzie
migracja anionów węglanowych przez elektrolit od katody do anody
rekombinacja na anodzie 2 anionów węglanowych do 2 cząsteczek wody i 2 cząsteczek CO2

Jeżeli natomiast paliwem jest CO, reakcje są następujące (reakcja na katodzie pozostaje bez zmian):

Lit (Li, łac. lithium - skała) – pierwiastek chemiczny, metal należący do grupy litowców w układzie okresowym. Jest najlżejszym metalem i ciałem stałym.

Metale szlachetne - zwyczajowa nazwa metali odpornych chemicznie, do których zalicza się platynowce (ruten, rod, pallad, osm, iryd i platynę) oraz dwa metale z grupy miedziowców: srebro i złoto (miedź, ze względu na nieco wyższą reaktywność, zalicza się do metali półszlachetnych). Określa się je także jako metale, które w szeregu napięciowym przyjmują wartości dodatnie (mają dodatni potencjał standardowy). Metale szlachetne zaliczamy do metali nieżelaznych ciężkich (o ciężarze właściwym pow. 3,6).

katoda: O2 + 4e + 2CO2 → 2CO−3 anoda: 2CO + 2CO−3 → 4CO2 + 4e

Zalety ogniw węglanowych:

w temperaturze pracy (650 °C) reforming paliwa (konwersja do wodoru) może zachodzić wewnątrz ogniwa, przez co ich sprawność jest większa i dochodzi do 60%

ogniwa te mogą pracować w skojarzeniu, napędzając turbinę gazową, parową oraz dostarczając ciepło

CO2, np. z biogazu, im nie przeszkadza, a nawet wspomaga pracę katody

Wadami tych ogniw są:

Gaz syntezowy (gaz wodny) - palny gaz powstający podczas reakcji węgla lub gazu ziemnego z parą wodną w obecności odpowiednich katalizatorów. Jest to mieszanina tlenku węgla (CO) i wodoru (H2), może zawierać znaczne ilości azotu.

Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową lub silnikiem turbospalinowym) - silnik cieplny, który energię napędową pobiera z przepływających spalin lub innego gazu roboczego, zwanego czynnikiem termodynamicznym lub roboczym. Określenie "turbina gazowa" odnosi się do maszyny składającej się ze sprężarki i turbiny (połączonych zwykle wspólnym wałem), oraz komory spalania umieszczonej pomiędzy nimi.

konieczność zapewnienia obiegu CO2 z anody do katody

konieczność chłodzenia elektrod gazem, który przepływając z dużą prędkością, jest źródłem hałasu

konieczność wykonania elementów konstrukcji ogniwa ze stali nierdzewnej, co zwiększa koszty

duża agresywność i korozyjność elektrolitu, która powoduje roztwarzanie elektrod

duża wrażliwość na zmiany temperatury elektrolitu

Bibliografia

Witold M. Lewandowski: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2006. ISBN 83-204-3112-3.

Turbina parowa – turbina, w której czynnikiem obiegowym jest para wodna. Pierwowzorem turbiny parowej była bania Herona. Jest to silnik (maszyna cieplna) wykorzystujący energię cieplną pary wodnej, wytworzonej zwykle w kotle parowym lub wytwornicy pary, do wytworzenia energii mechanicznej, odprowadzanej wałem do innej maszyny, np. generatora elektrycznego.

Chrom (Cr, łac. chromium) - pierwiastek chemiczny, metal przejściowy z bloku d układu okresowego. Posiada 13 izotopów, od 45Cr do 57Cr, z czego trwałe są izotopy 50, 52, 53 i 54. Został odkryty w roku 1797 przez Louisa Nicolasa Vauqellina.

Linki zewnętrzne

strona internetowa FuelCell Energy (ang.)