Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)
DESCRIPTION
Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ). Принцип работы РКТЭ Особенности конструкции Рабочие параметры. Карбонаты: соли угольной кислоты Н 2 СО 3 Сода пищевая (гидрокарбонат натрия): NaHCO 3 Мел (карбонат кальция): CaCO 3 Карбонаты для РКТЭ : соли щелочных металлов - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/1.jpg)
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
1
Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)
Принцип работы РКТЭОсобенности конструкцииРабочие параметры
![Page 2: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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.
![Page 3: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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:
![Page 4: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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:
![Page 5: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Материалы для РКТЭ
![Page 6: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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
![Page 7: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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
![Page 8: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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)
![Page 9: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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
![Page 10: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетикиВнутренняя конверсия топлива
![Page 11: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Проблемы отравления (топливо от газификации угля)Влияние различных примесей
![Page 12: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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
![Page 13: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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:
![Page 14: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Эмпирическая зависимость:
Влияние температуры:
![Page 15: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
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
![Page 16: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Степень утилизации топливаРасзход топлива ведет к уменьшению его парциального давления и повышению давления воды
![Page 17: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Влияние примесей (в угольном газе)
Очистка анода
![Page 18: Лекция 17 Расплавно-карбонатные ТЭ (РКТЭ)](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022020722/56814cdf550346895db9e0a4/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
250 кВт модуль фирмы MTU