Ny brændselscelleteknologi kører på fast kulstof

Fremskridt inden for en brændselscelleteknologi drevet af fast kulstof kan gøre elproduktion fra ressourcer som kul og biomasse renere og mere effektiv, ifølge et nyt papir udgivet af forskere fra Idaho National Laboratory.

Brændselscelledesignet inkorporerer innovationer i tre komponenter:anoden, elektrolytten og brændstoffet. Sammen, disse fremskridt gør det muligt for brændselscellen at udnytte omkring tre gange så meget kulstof som tidligere direkte kulstofbrændselscelle (DCFC) designs.

Brændselscellerne fungerer også ved lavere temperaturer og viste højere maksimale effekttætheder end tidligere DCFC'er, ifølge INL materialeingeniør Dong Ding. Resultaterne fremgår af denne uges udgave af tidsskriftet Avancerede materialer .

Mens brintbrændselsceller (f.eks. protonudvekslingsmembran (PEM) og andre brændselsceller) genererer elektricitet fra den kemiske reaktion mellem rent brint og oxygen, DCFC'er kan bruge et hvilket som helst antal kulstofbaserede ressourcer til brændstof, herunder kul, koks, tjære, biomasse og organisk affald.

Fordi DCFC'er gør brug af let tilgængelige brændstoffer, de er potentielt mere effektive end konventionelle brintbrændselsceller. "Du kan springe det energikrævende trin over at producere brint, " sagde Ding.

Men tidligere DCFC-design har flere ulemper:De kræver høje temperaturer - 700 til 900 grader Celsius - hvilket gør dem mindre effektive og mindre holdbare. Yderligere, som følge af de høje temperaturer, de er typisk konstrueret af dyre materialer, der kan klare varmen.

Også, tidlige DCFC-designs er ikke i stand til effektivt at udnytte kulstofbrændstoffet.

Ding og hans kolleger tog fat på disse udfordringer ved at designe en ægte direkte kulstofbrændselscelle, der er i stand til at fungere ved lavere temperaturer - under 600 grader Celsius. Brændselscellen gør brug af fast kulstof, som finmales og sprøjtes via en luftstrøm ind i cellen. Forskerne tacklede behovet for høje temperaturer ved at udvikle en elektrolyt ved hjælp af stærkt ledende materialer - dopet ceriumoxid og carbonat. Disse materialer bevarer deres ydeevne under lavere temperaturer.

Næste, de øgede kulstofudnyttelsen ved at udvikle et 3-D keramisk tekstilanodedesign, der fletter bundter af fibre sammen som et stykke stof. Selve fibrene er hule og porøse. Alle disse funktioner kombineres for at maksimere mængden af ​​overfladeareal, der er tilgængeligt for en kemisk reaktion med kulstofbrændstoffet.

Endelig, forskerne udviklede et kompositbrændstof lavet af fast kulstof og karbonat. "Ved driftstemperaturen, at komposit er flydende, " sagde Ding. "Det kan nemt flyde ind i grænsefladen."

Det smeltede carbonat fører det faste kulstof ind i de hule fibre og anodens nålehuller, øge brændselscellens effekttæthed.

Den resulterende brændselscelle ligner en grøn, keramisk urbatteri, der er omtrent lige så tykt som et stykke byggepapir. En større firkant er 10 centimeter på hver side. Brændselscellerne kan stables oven på hinanden afhængigt af anvendelsen. Det Avancerede materialer journal postede et videoabstrakt her:

Teknologien har potentiale til forbedret udnyttelse af kulstofbrændstoffer, såsom kul og biomasse, fordi direkte kulstofbrændselsceller producerer kuldioxid uden blandingen af ​​andre gasser og partikler, der findes i røgen fra kulfyrede kraftværker, for eksempel. Dette gør det lettere at implementere kulstoffangstteknologier, sagde Ding.

Det avancerede DCFC-design har allerede tiltrukket sig opmærksomhed fra industrien. Ding og hans kolleger samarbejder med Salt Lake City-baserede Storagenergy, Inc., at ansøge om en Department of Energy Small Business Innovation Research (SBIR)-Small Business Technology Transfer (STTR) Funding Opportunity. Resultaterne vil blive offentliggjort i februar 2018. En canadisk energirelateret virksomhed har også vist interesse for disse DCFC-teknologier.