Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC)

Elektrolitem w ogniwach węglanowych są stopione w wysokich temperaturach (650-750 °C) mieszaniny węglanów litu i potasu (62 %mol Li2CO3 - 38 %mol K2CO3) lub litu i sodu (50 %mol Li2CO3 - 50 %mol Na2CO3) , umieszczone w spieku ceramicznym LiAlO2. Anodę stanowi porowaty (50-70 %, rozmiary porów ok. 3-6 µm) spiek niklu wzbogacony chromem (10 %), 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.

Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów

Schemat poglądowy działania węglanowego ogniwa paliwowego.
źródło: www.fctec.com

Reakcje na ANODZIE (w zależności od rodzaju paliwa)

H2 + CO32- → 2H2O + CO2 + 2e-

CO + CO32- → 2CO2 + 4e-

Reakcja na KATODZIE

½O2 + CO2 + 2e- → CO32-

Z powodu bardzo wysokich temperatur pracy kinetyka katody (szybkość reakcji) jest drastycznie poprawiona w porównaniu do PEMFC i PAFC, więc nie potrzeba szlachetnych metali jako katalizatorów. Ogniwo tego typu może używać najróżniejszych węglowodorów, tlenku węgla oraz wodoru jako paliwa. Dzięki użyciu niklu jako katalizatora oraz temperaturze pracy sięgającej 650°C nie potrzebny jest żaden proces oczyszczania paliwa z tlenku węgla czy dwutlenku węgla.

ANODA Stopy Ni-Al lub Ni-Cr
KATODA NiO domieszkowany litem lub Li2O
ELEKTROLIT Stopiony węglan litu i potasu (Li2CO3/K2CO3) lub litu i sodu (Li2CO3/Na2CO3) w osnowie ceramicznej na bazie aluminium (LiAl2O3)
TEMPERATURA PRACY 650÷750°C
STOSOWANE PALIWA Wodór, gaz LPG, biogaz, metanol, benzyna, propan
SPRAWNOŚĆ 40-50 %

Zalety ogniw węglanowych to:

  • w temperaturze pracy (650°C) reforming paliwa może zachodzić wewnątrz ogniwa, przez co ich sprawność jest większa i dochodzi do 60%,
  • zastosowanie elektrod niklowych eliminuje konieczność stosowania drogich katalizatorów,
  • ogniwa te mogą pracować w skojarzeniu, napędzając turbinę gazową, parową oraz dostarczając ciepło,
  • CO2, np. z biogazu, nie przeszkadza, a nawet wspomaga pracę katody.

Wadami tych ogniw są:

  • konieczność chłodzenia elektrod gazem, który przepływając z dużą prędkością,
  • jest źródłem hałasu,
  • konieczność wykonania elementów konstrukcji ogniwa ze stali nierdzewnej, co podwyższa koszty,
  • duża agresywność i korozyjność elektrolitu, która powoduje roztwarzanie elektrod,
  • duża wrażliwość elektrolitu na zmiany temperatury.

PRZYKŁADY

Producentami stosów ogniw paliwowych typu MCFC są głównie firmy amerykańskie i japońskie. Z ich inicjatywy przeprowadzono dwa testy dużych instalacji: w latach 1996-1997 w Santa Clara (USA) badano generator wyprodukowany przez Energy Research Corporation (obecnie Fuel Cell Energy) zaś w 2000 r. w Kawagoe (Japonia) testowano generatory wyprodukowane przez Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI) wraz z Hitachi. Projektowane moce testowanych urządzeń wynosiły, nominalnie, 2 i 1 MW. Jednak obie próby nie przebiegały bez pewnych komplikacji. Elektrownia w Santa Clara dostarczyła ok. 1710 MWh energii do sieci energetycznej, a współczynnik sprawności wytwarzania energii elektrycznej wyniósł 0.436. Instalacja w Kawagoe dostarczyła 2103 MWh energii uzyskanej przy współczynniku sprawności 0.467.
Z wielu firm podejmujących badania i prace wdrożeniowe nad węglanowymi ogniwami paliwowymi w latach 90-tych ubiegłego wieku (oprócz wymienionych wyżej również M-C Power w St. Zjednoczonych, Ansaldo i ECN w Europie), pozostały obecnie jedynie najsilniejsze: Fuel Cell Energy w St. Zjednoczonych i jego przedstawiciel w Europie MTU Friedrichschafen GmbH oraz IHI w Japonii. Firmy te przygotowują się do komercyjnej produkcji nowych modeli, z których szczególną uwagę specjalistów przyciąga tzw. „Hot Module” (MTU) z poziomym ułożeniem stosu o mocy 250 kW i wewnętrzną konwersją paliwa. Wstępne testy wykazały, że jego sprawność elektryczna wynosi ponad 45% a sprawność zintegrowana cieplna i elektryczna ok. 75%.

Piotr TOMCZYK, Dorota OBŁĄKOWSKA, Tendencje rozwojowe ogniw paliwowych, Jakość i efektywne użytkowanie energii elektrycznej: seminarium Kraków, 17–18 listopada 2004, Wydawnictwo Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej, s. 45–54