Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem

Przebieg procesu tworzenia ogniwa paliwowego ze stopionego węglanu

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC, z ang. Molten Carbonate Fuel Cell) – rodzaj wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego, pracującego w temeraturze 600 °C i wyższych.

Ogniwa te powstały w latach 60. XX w. i były bardzo drogie ze względu na elektrody wykonane z metali szlachetnych. W latach 70. 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 do 150 mW/cm².

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.

Reakcje zachodzące w ogniwie MCFC, gdy paliwem jest wodór, są następujące:

katoda: O₂ + 4e⁻ + 2CO₂ → 2CO2−3

anoda: 2H₂ + 2CO2−3 → 2H₂O + 4e⁻ + 2CO₂

Zasada działania ogniwa MCFC ujęta w czterech etapach reakcji:

1. absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie oraz 2 cząsteczek wodoru na anodzie
2. 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
3. migracja anionów węglanowych przez elektrolit od katody do anody
4. 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):

katoda: O₂ + 4e⁻ + 2CO₂ → 2CO2−3

anoda: 2CO + 2CO2−3 → 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:

• 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. Brak numerów stron w książce

Linki zewnętrzne

• strona internetowa FuelCell Energy. fce.com. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-08-30)]. (ang.).