Новая технология топливных элементов работает на твердом углероде

Согласно последней работе исследователей Национальной лаборатории Айдахо, усовершенствования в технологии топливного элемента могут привести к выработке чистой и эффективной электроэнергии с использованием твердых источников углерода, таких как уголь и биомасса.

Новая конструкция топливных элементов включает в себя инновации в трех компонентах: аноде, электролите и топливе. Вместе эти усовершенствования позволяют топливному элементу использовать примерно в три раза больше углерода, чем предыдущие проекты с прямым углеродным топливным элементом (DCFC).

Усовершенствованные углеродные топливные элементы также работают при более низких температурах и демонстрируют более высокую максимальную плотность энерговыделения, чем предыдущие версии углеродного топливного элемента, по словам инженера лаборатории Дон Дин (Dong Ding). Результаты исследования опубликованы в журнал «Advanced Materials».

В то время как водородные топливные элементы (например, протонообменная мембрана (PEM) и другие топливные элементы) генерируют электричество из химической реакции между чистым водородом и кислородом, углеродный топливный элемент может использовать любое количество углеродных ресурсов для топлива, включая уголь, кокс, биомассу и органические отходы.

Поскольку углеродный топливный элемент использует легкодоступные виды топлива, он потенциально более эффективен, чем обычные водородные топливные элементы. «Вы можете пропустить энергоемкий шаг производства водорода», — сказал Дин.

Ранние конструкции углеродного топливного элемента имели несколько недостатков: они требовали высоких температур от 700 до 900 градусов Цельсия, что делало их менее эффективными и менее прочными. И они, как правило, собирались из дорогостоящих материалов, которые могли выдерживать такую температуру.

Кроме того, ранние конструкции углеродного топливного элемента не могут эффективно использовать углеродное топливо.

Дин и его коллеги изучили эти проблемы, и разработали настоящий прямой углеродный топливный элемент, способный работать при более низких температурах — ниже 600 градусов по Цельсию.

Топливный элемент использует твердый углерод, который тонко измельчается и вводится через воздушный поток в ячейку. Исследователи исключили необходимость высоких температур, разработав электролит с использованием высокопроводящих материалов: легированный оксид церия и карбонат. Эти материалы сохраняют свою работоспособность при более низких температурах.

Затем они увеличили использование углерода, разработав трехмерную керамическую конструкцию текстильного анода, которая собирает пучки волокон вместе, как кусок ткани. Сами волокна полые и пористые. Все эти функции объединяются для максимального увеличения площади поверхности, доступной для химической реакции с углеродным топливом.

Наконец, исследователи разработали композитное топливо из твердого углерода и карбоната. «При рабочей температуре этот композит является жидкоподобным», — сказал Динг. «Он может легко втекать в интерфейс».

Расплавленный карбонат переносит твердый углерод в полые волокна и поры анода, увеличивая плотность мощности топливного элемента.

Полученный топливный элемент выглядит как керамический аккумулятор для часов, который примерно такой же плотный, как кусок строительной бумаги. Топливные элементы можно размещать друг над другом в зависимости от применения.

Технология обладает потенциалом для более эффективного использования углеродного топлива, поскольку прямые углеродные топливные элементы производят двуокись углерода без смеси других газов и твердых частиц, которые находятся, например, в дыме угольных электростанций. Это облегчает внедрение технологий улавливания углерода.

Современный дизайн углеродного топливного элемента уже привлек внимание со стороны промышленности. Динг и его коллеги сотрудничают с компанией Storagenergy, Inc. в Солт-Лейк-Сити, чтобы подать заявку на финансирование в департамент инноваций в области малого бизнеса (SBIR) — «Small Business Technology Transfer» (STTR). Результаты будут объявлены в феврале 2018 года. Канадская энергетическая компания, также проявила интерес к этим технологиям DCFC.