Научная статья на тему 'DIRECT CARBON OXIDATION IN SOLID OXIDE FUEL CELLS - DCFC'

DIRECT CARBON OXIDATION IN SOLID OXIDE FUEL CELLS - DCFC Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
60
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРЯМОЕ ОКИСЛЕНИЕ УГЛЯ / DIRECT OXIDATION OF COAL / ТОТЭ / SOFC / ТВЕРДЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ / SOLID ELECTROLYTE / КАТОД - МАНГАНИТ ЛАНТАНА-СТРОНЦИЯ / CATHODE -LANTHANUM STRONTIUM MANGANITE / ЖИДКИЙ АНОД - РАСПЛАВ СОЛЕЙ / LIQUID ANODE - MOLTEN SALTS

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Lipilin A.S., Balashov I.I., Chebykin V.V., Krutikov V.I.

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 °С 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 kW⋅h/l and with efficiency of 70%.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «DIRECT CARBON OXIDATION IN SOLID OXIDE FUEL CELLS - 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

1Институт электрофизики УрО РАН 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106 Е-mail: lipilin@iep.uran.ru 2Stanford Research Institute SRI International, 333 Ravenswood Avenue Menlo Park, California, USA 3Институт 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

© Scientific Technical Centre «TATA», 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 ростом температуры наблюдается увеличение ЭДС [8]. Для реакций 2 и 5 величина ЭДС постоянна, а для 3 и 4 идет ее понижение.

Сравнение реального эффективного КПД ТОТЭ при использовании в качестве топлива

метана, водорода, монооксида и угля Comparison of actual effective performance of solid oxide fuel cell (SOFC) at methane, hydrogen, monoxide and coal use as fuel

Топливо Термодинамический КПД, Пт КПД по напряжению, п КПД использования топлива, % Реальный эффективный КПД, Пэфф

СО 0,60 0,8 0,8 0,38

Н2 0,70 0,8 0,8 0,45

СН4 0,895 0,8 0,8 0,57

С 1,003 0,8 1,0 0,8

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

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Экспериментальная часть

Эксперименты по реализации прямого окисления угля в твердооксидном топливном элементе с жидким анодом, защищенного патентом США [7], были проведены в лаборатории исследования материалов Стенфордского исследовательского института - SRI. На рис. 3, а изображена схема электрохимической ячейки и схема проходящего в ней процесса (рис. 3, b). В качестве твердого электролита вначале использовали керамическую пробирку диаметром около 10 мм и длиной около 20 см с толщиной стенки около 0,5 мм. Внутренняя поверхность пробирки имела традиционный газодиффузионный воздушный электрод на основе манганита лантана-стронция (LSM).

■ Топливо + жидкий анод 1Анодный токовый коллектор | ¡^-Электролит Катод

^Катодный токовый кол л ест ор ^-Вход окислителя ^- Выход окислителя

Уголь

СО и СО,

Токовый коллектор Электролит YSZ Токовый коллектор

b

Рис. 3. Схемы электрохимической ячейки (а) и процесса окисления частиц угля (b) Fig. 3. Scheme of the electrochemical cell (a) and the oxidation of coal particles (b)

В последних экспериментах несущий электролит был заменен несущим «катодом» на основе Ь8М. Несущий токовый коллектор толщиной около 2 мм был покрыт тонким слоем катода (15 мкм) и тонким слоем (около 20 мкм) твердого электролита У82. Кислород воздуха на трехфазной границе газодиффузионного электрода и твердого электролита ионизуется, переносится через электролит У82, и на границе электролит - уголь происходит окисление топлива, т.е. реализуется ячейка:

О2 ^ Ь8МК |О2-|Са ^ СО ^ СО2.

Жидкий расплав солей - «жидкий анод», с одной стороны, доставляет топливо к двухфазной зоне реакции, с другой - отводит электроны к токовому

коллектору. Для жидкого углесодержащего анода авторы первоначально использовали соли щелочных металлов К, Ы в виде гидроксидов и хлоридов. В процессе испытаний расплав первичных солей преобразовывался в устойчивый расплав карбонатов. Поэтому авторы в большинстве экспериментов проводили их с традиционно используемым в расплав-карбонатных топливных элементах расплавом №2С03, К2С03, И2С03. Маршрут окисления угля, вероятнее всего, идет через образование монооксида углерода (%-=0,5), а затем углекислого газа с выпадением угля в виде тонкодисперсного, активного нано-порошка сажи. Наличие воды в исходных солях может приводить, кроме реакции 2СО = С| + СО2 с выпадением сажи, и к реакции сдвига, исключающей выпадение сажи: СО + Н2О = СО2 + Н2, а также к реакциям с появлением метана: 2СО + 2Н2 = СО2 + СН4 и его последующей углекислотной конверсии: СО2 + СН4 = 2СО + 2Н2. Таким образом, в расплаве и в газовой фазе над расплавом может появляться еще один потенциалобразующий газ - водород. Скорость его окисления выше скорости окисления СО, поэтому Н2 может интенсифицировать анодный процесс. Возможна также и интенсификация процесса выделения сажи благодаря увеличению парциального давления монооксида углерода, которое на границе твердый электролит - расплав (суспензия) должно быть выше, чем на аноде в ТОТЭ с газодиффузионными электродами.

Рис. 4. Температурная зависимость ЭДС исследуемой ячейки с жидким анодом - 1 и сенсора газовой среды над расплавом при пропускании Ar и CO2 при введенном в расплав углероде - кривые 2 и при отсутствии углерода в расплаве - 3

Fig. 4. Temperature dependence of the EMF study of the cell with a liquid anode - 1 and the sensor of the gas enviroment above the melt by passing Ar and CO2 in the carbon introduced into the melt - curves 2 and in the absence of carbon in the melt - 3

Исследовательская ячейка позволяла нам как контролировать потенциалы на электродах исследуемого элемента, так и измерять активность газовой среды над расплавом относительно воздушного электрода сравнения традиционно выполненного сенсора. На рис. 4 представлены измерения темпера-

а

турной зависимости ЭДС ячейки С 22 с жидким анодом (кривая 1) в процессе нагрева и охлаждения, а также ЭДС кислородного датчика в газовой среде над расплавом при продувании аргона и углекислого газа (группа кривых 2). Контрольный опыт при пропускании газов над расплавом, не содержащим угля, при нагреве и охлаждении зарегистрировал линейное увеличение ЭДС от температуры до 0,2 В (кривые 3). Введение в расплав порошка угля приводит к изменению ЭДС газового сенсора. В случае пропускания СО2 наблюдался гистерезис ЭДС более 100° в области температур 650-750 °С, обусловленный, по-видимому, процессами, идущими на границе твердый электролит - твердое топливо, обменными процессами между расплавом и газовой средой и наличием водорода над расплавом. ЭДС самой ячейки с жидким анодом достигала 1,4 В, т.е. была выше ЭДС газового сенсора над расплавом и менялась обратимо в процессе нагрева и охлаждения. Специально сделанным погружным сенсором измеряли величину ЭДС в объеме жидкого анода по высоте и удаленности от границы с твердым электролитом (от сетки токового коллектора). Во всех исследованных точках ЭДС сенсора равнялась ЭДС исследуемой ячейки с жидким анодом, измеренной между анодом и катодом.

120

50 100 j, мА/см2

а

150

140 120 100 80 60 40 20 0

1 1 Ж|

д С1-2 Ацетиленовая сажа хЗ х СЗ-8 Ацетиленовая сажа хЗ ж СЗ-9 Ацетиленовая сажа хб • С3-5 PRB Уголь 40% об. -Ù- Гудрон

-, XI

/ J

д

--1 а 1

600 700

800 Т, °С b

900 1000

Рис. 5. Основные характеристики топливного элемента на PRB при 950 °С (а); температурная зависимость

удельной мощности от вида топлива (b) Fig. 5. The main characteristics of the fuel cell at PRB at 950 °C (a); the temperature dependence of specific power on the type of fuel (b)

В качестве топлива были исследованы: биомасса, гудрон, отходы пластика, уголь в виде порошка, используемый на тепловых электростанциях (PRB). На рис. 5, а представлены типичные вольт-амперные и ватт-амперные кривые элемента с топливом PRB. Возрастание ЭДС с ростом температуры, по-видимому, указывает на то, что возможно парциальное окисление угля, идущее с поглощением тепла от внешнего источника, и что в DCFC возможно получение КПД выше 100%. Посчитанный по материальному балансу загруженного топлива и генерируемого количества электричества КПД был выше 70%. На рис. 5, b представлены температурные зависимости удельной мощности при использовании топлив, содержащих порошок угля в расплаве - 40 об.%. Приведены кривые для угля в виде порошков разной дисперсности: ацетиленовой сажи различных видов, PRB (измельченный каменный уголь для ТЭС), а также гудрона (отходов производства синтетического бензина в Канаде).

Импеданс-спектроскопия позволила определить вклад электродных процессов исследованных ячеек (рис. 6). Интересно, что в области температур 800950 °С поляризационные потери на электродах были постоянны, чего авторы никогда не наблюдали в ТОТЭ с газодиффузионными электродами. При этом сопротивление ячеек было обусловлено в основном активным сопротивлением твердого электролита. Если при 812 °С потери на электролите и на электродах были равны, то при 950 °С потери на электролите уменьшаются в четыре раза, а на электродах остаются прежними. Это указало на необходимость замены в ячейках DCFC электролита толщиной около 0,5 мм на несущий катод с электролитом толщиной 20 мкм.

Рис. 6. Годографы импеданса для 950 - 1; 900 - 2;

860 - 3 и 812 °С - 4 Fig. 6. Impedance Hodographs for 950 - 1; 900 - 2; 860 - 3 and 812 °С - 4

Следует обратить внимание на то, что ЭДС исследуемых ячеек с жидким анодом в области рабочих температур на сотни милливольт выше термодинамических величин потенциалобразующих веществ (Н2, СО) или их смесей (рис. 7). Так, при 950 °С ЭДС исследуемой ячейки выше ЭДС, обусловленной парциальным окислением углерода, на 250 мВ, полным окислением угля - на 380 мВ, а полным окислением водорода - на 470 мВ.

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

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

1400

1300

1200

m

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

s

Ш 1100

1000

1000

i°c

В процессе наших исследований была определена возможность формирования многоэлементных батарей на основе трубчатых топливных элементов с жидким анодом, был изготовлен и испытан макет семиэлементного устройства с параллельным соединением по току и газам (рис. 8). В спроектированной энергоустановке на 40 кВт группы параллельно соединенных элементов соединены последовательно между собой и каждая имеет свой электроизолированный поток жидкого анода - солевого расплава с введенным в него угольсодержащим топливом [7].

Ill-

Рис. 7. Превышение экспериментальной величины ЭДС топливного элемента с жидким анодом - 1 (DCFC) и твердооксидных топливных элементов с газодиффузионными электродами - 2 [9] и 3 [10] над термодинамическим

значением - 4 для реакции окисления водорода Fig. 7. Excess of experimental values of the EMF of the fuel cell anode with liquid anode - 1 (DCFC) and solid oxide fuel cells with gas diffusion electrode - 2 [9] and 3 [10] on the thermodynamic value of - 4 for the oxidation of hydrogen

Аналогичные превышения экспериментальных величин ЭДС над термодинамическим значением наблюдаются и для ТОТЭ с газодиффузионными электродами [9, 10]. Различия касаются как величины, так и энергии активации. При этом начальная часть вольт-амперных кривых по напряжению до определенного тока тоже лежит выше термодинамического значения ЭДС (I = 0) и практически не имеет активационной части.

■Ввод воздуха ■Выход воздуха Единичный элемент: катод и электролит ■Жидкий анод с частицами топлива

Анодный токовый коллектор

Мешалка расплава с топливом

Рис. 8. Схема и внешний вид многоэлементной батареи DCFC Fig. 8. Scheme and appearance of the multi-element battery DCFC

Отработка технологии изготовления полуэлементов трубчатой конструкции с несущим катодным токовым коллектором позволила увеличить рабочую площадь единичных элементов до 300 см2 (рис. 9, а), используя тонкие слои электрода и слой твердого электролита около 20 мкм (рис. 9, b). Это позволило при 850 °С получать удельные мощности выше

300 мВт/см2 (рис. 9, с).

b

200 400 j, мА/см' c

Рис. 9. Внешний вид трубчатого DCFC (а); СЭМ микроструктура тонкопленочного элемента с несущим токовым коллектором 2 мм толщиной (электролит - 20 мкм, катод - 15 мкм) (b); основные характеристики тонкопленочного трубчатого DCFC (с) Fig. 9. Appearance of tubular DCFC (a); SEM microstructure of thin-film element with a carrying current collector with thickness of 2 mm (electrolyte - 20 microns, the cathode - 15 microns) (b); the main characteristics of thin-film tubular DCFC (с)

b

а

Заключение

В XXI веке в топливно-энергетическом комплексе большинства стран будет возрастать роль угля. Это обусловлено конечностью запасов углеводородного топлива и, как следствие, ростом его стоимости и стоимости электроэнергии, получаемой из него. Поскольку запасы угля на порядок и более превышают запасы нефти и природного газа, то их использование перспективно и актуально. Если сегодня доля угля в экономическом балансе стран составляет в Китае - 70%, в Германии и США - 55-56%, в России и Японии - 18-20%, то она будет неуклонно возрастать, обуславливая переход к угольной экономике.

Проведенные исследования подтвердили, что прямое окисление угля в твердооксидных топливных элементах с жидким анодом позволило реализовать процесс по реакции 2С + 2О2- = СО + СО + 0 = СО2 + С| с преобразованием в электроэнергию не только химической энергии угля, но и тепловой от внешнего источника тепла. Таким образом, осуществлена мечта основоположников П.Н. Яблочкова, В. Освальда и В. Нернста о получении электрической энергии из угля в электрохимических устройствах, исключая переход в тепловую энергию. Это открывает перспективы развития новой энергоэффективной, энергосберегающей угольной электроэнергетики.

Исследованные топливные элементы на угле и гудроне с жидким расплавленным анодом генерировали удельную мощность более 100 мВт/см2. Полученная удельная мощность в БСБС с относительно толстым несущим электролитом сопоставима с удельной мощностью коммерческих электростанций с расплавкарбонатными топливными элементами, работающими на природном газе. Удельная мощность БСБС с жидким расплавленным анодом и тонким пленочным электролитом сравнима с мощностями, которые получены в разрабатываемых стационарных энергоустановках на твердооксидных топливных элементах с газообразным топливом, - 0,3-0,6 Вт/см2.

Лабораторные испытания твердооксидных топливных элементов с жидким анодом в течение 1200 ч показали возможность получения при температурах 800-950 °С удельной мощности более 300 мВт/см2. Экспериментально была проверена концепция многоэлементной батареи. Разработана конструкция 40-

кВт-батареи на DCFC. Было показано, что в энергоустановках для прямого окисления угля на твердооксидных топливных элементах могут быть достигнуты удельные характеристики до 20 кВтч/л и КПД более 70% [11, 12].

Авторы заранее благодарны всем, кто в этой первой экспериментальной работе по прямому окислению угля в DCFC увидит актуальность и перспективность развития таких исследований в России, кто поможет разобраться в фундаментальных основах идущих процессов и поможет реализовать промышленное изготовление таких энергосистем.

Список литературы

1. Данилевский В.В. Русская техника. Л.: Ленинградское газетно-журнальное и книжное издательство, 1947. C. 361-369.

2. Ostwald W. // Z. Elektrochem. 1. 1894. С.81-84. С.122-125; Z. Physik Chem. 15. 1894. С. 409-421.

3. Jacques W.W. Пат. № 655,511. (США). 1896.

4. Hoogers G. Fuel cell technology handbook. Boca Raton London New York Washington, D.C. SRC Press LLC. 2003.

5. Baur E., Preis H. // Z. Elektrochem. 43. 1937. C. 727-732.

6. Nernst W. Пат. № 104 872. (Германиия) 1897.

7. Lipilin A., Balachov I., Dubois L., Sanjuijo A., McKubre M., Crouch-Baker S., Hornbostel M., Tanzella F. Пат. PCT/US №2005/017963. (США). 2004.

8. Юсти Э., Винзель А. Топливные элементы. М.: Мир, 1964. С. 480.

9. Minh N.Q., Takahashi T., Science and technology of ceramic fuel cells. Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokyo, 1995. P. 366.

10. Иванов В.В., Липилин А.С., Спирин А.В., Ремпель Ал.А., Паранин С.Н., Хрустов В.Р., Шкерин С.Н., Валенцев А.В., Журавлев В. Д. Формирование многослойных структур твердооксидного топливного элемента // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 2 (46). С. 75-88.

11. Final Report ERDC/CERL TR-07-32, 30-092007.

12. Balachov I. Докл. «Clean Energy Technologies: Growing Need for Multiphysics Modeling». COMSOL 2008. Conference, Boston. October 11, 2008.

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

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.