Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики

1

Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)

Принцип работы РКТЭОсобенности конструкцииРабочие параметры

2


Карбонаты: соли угольной кислоты Н2СО3

Сода пищевая (гидрокарбонат натрия): NaHCO3

Мел (карбонат кальция): CaCO3

Карбонаты для РКТЭ: соли щелочных металлов Li2СO3, Тплав.=735 СK2CO3, Тплав.=891 СNa2СO3 Тплав.=854 СДля снижения рабочей температуры используются эвтектические смесиЭвте́ктика (греч. éutektos — легкоплавящийся) — жидкая система (раствор или расплав), находящаяся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%8B

3


РКТЭ – принцип действия Заряд переносится ионами СО32-

Полная реакция:Н2+1/2О2+СО2=Н2О+СО2

Рабочие температуры: 600 – 650 СМожно окислять СО, Не нужно Pt катализаторов

Для работы нужен СО2 на катоде.Перенос 2 Моль электронов по внешней цепи сопровождается переносом 1 моль СО2 через электролит.

Обратимый потенциал Нернста:

4


Как сделать электролит?-удержание в пористой среде, как и в ФКТЭ-проблема: при Траб РКТЭ нет материалов с управляемой смачиваемостью, подобных тефлону-Выход – бипористая средаУсловие капиллярного равновесия: максимальный диаметр заполненной поры связан с поверхностным натяжением и углом смачивания соотношением:

constD /cos Для РКТЭ:

5


Материалы для РКТЭ

6


Электролит60% электролита 40% матрицаКарбонат: 62%:38% карбонаты лития / калия50%:50% карбонаты лития / натрия Li2СO3 – ионная проводимость выше, чем K2СO3 и Na2СO3, но растворимость и скорость диффузии газа ниже, скорость коррозии вышеМатрица:Волокна или гранулы γ-LiAlO2 с размерами ~1 мкм и ~100 мкм

Добавки: Al2O3 – для повышения стойкости к растрескиванию при термоциклировании, ZrO2 – Для торможения укрупнения частиц γ-LiAlO2

Изготовление: шликерное литье с органическим наполнителем, горячее прессование (до 1 м2)Омическое перенапряжение:t- толщина электролита, см (обычно 0,25 – 0,5 мм)Проблемы: первое включение и насыщение матрицы электролитом, внутренние напряжения при выключении и затвердевании расплава, кроссовер газов, миграция электролита от положительного полюса стека к отрицательному

7


АнодПористый спеченный сплав NiCr/NiAlТолщина 0,4 – 0,8 мм, пористость 55-75%, удельная поверхность 0.1 – 1 м2/г. Анодная поляризация ниже катодной, поэтому можно не стремиться к увеличению удельной поверхности.Кроме функций катализатора и токоотвода служит резервуаром для электролита.Изготовление: горячее прессование монодисперсного порошка, или шликерное литье с последующим спеканием.Добавка хрома (10-20%) – предотвращение спекания Ni в крупные гранулы (увеличение размера пор, уменьшение площади поверхности, механическая деформация). Хром реагирует с электролитом, образуя хромит лития (LiCr2O3), - ухудшает смачиваемость анода и изменяет пористую структуру. Проблема частично решается добавкой алюминия. Основная проблема – потеря электролита

8


Катод:Пористый никель, который при работе в кислороде окисляется и литируется (вступает во взаимодействие с литием).

Пористость до литирования: 70-80%, после окисления и литирования: 60-65%

Толщина 0,5 – 0,75 мм, средние размеры пор – 7 – 15 мкм, удельная площадь поверхности 0,5 м2/г

Оптимальное заполнение пор электролитом – 20 – 25%

Проблема: растворение никеля в расплаве в присутствии СО2:

Ионы никеля мигрируют к аноду, восстанавливаются, могут образовывать дендриты, приводящие к КЗ.

Минимальная скорость растворения в эвтектических смесях : 62% Li2CO3 + 38% K2CO3, или 52% Li2CO3 + 48% Na2CO3/ Кроме того, используют добавки карбонатов бария, кальция, стронция

Пути минимизации растворения:

Работа при атм. давлении и минимальной конц. СО2

Увеличение толщины электролита (увеличение пути диффузии ионов Ni)

9


Биполярная пластина•Сепаратор (нержавеющая сталь с никелевым покрытием)•Токовый коллектор (нержавеющая сталь с никелевым покрытием)•Уплотнение (алюминизированный металл)•Проблемы: •т.к. на на анодной стороне БП нет кислорода, то не формируется защитный оксидный слой. Поверхностная диффузия электролита приводит к образованию на пов-ти коррозионных чешуек. Процесс ускоряется при высоких температурах, влажности, карбонизации.•На катодной стороне при образовании коррозионных чешуек увеличивается контактное сопротивление•При коррозии расходуется электролит

10

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетикиВнутренняя конверсия топлива

11


Проблемы отравления (топливо от газификации угля)Влияние различных примесей

12


Характеристики РКТЭ

При длительной работе и j= 150-200 мА/см2, U~0,8 В, падение напряжения со временем ~ 5 мВ/1000 ч.

Поляризация на катоде650 С1) 33% О2/67% СО22) 12,6% О2/18% CO2/69% N2

13


Влияние давленияЗависимость обратимого потенциала от давления следует из уравнения НернстаИзменение обратимого потенциала при изменении давления от Р1 до Р2

Если давление на катоде и аноде Одинаково и Т=650 С:

Отрицательные эффекты повышения давленияФормирование сажи:

Образование метана:С последующим выделением сажи:

14


Эмпирическая зависимость:

Влияние температуры:

15


Состав газов и степень утилизацииРеакция на катоде:На 1 моль О2 нужно 2 моль СО2

Влияние отношения СО2/О2(давление О2 – 0,15 атм.)

Влияние степени утилизации окислителя на среднее выходное напряжение стека из 10 ячеек

16


Степень утилизации топливаРасзход топлива ведет к уменьшению его парциального давления и повышению давления воды

17


Влияние примесей (в угольном газе)

Очистка анода

18


250 кВт модуль фирмы MTU

Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)

Documents