Vizualizare sursă pentru „Pilă de combustie cu carbonat topit”

[[Fișier:MCFC fuel cell (ro).png|thumb|Schema de principiu a unei pile de combustie cu carbonat solid]]
O '''pilă de combustie cu carbonat topit''' ({{en|molten-carbonate fuel cell}}&nbsp;— MCFC), este un tip de [[pilă de combustie]] care lucrează la [[temperatură]] înaltă, de 600{{te}} sau mai mult. Principalul lor avantaj este că pot fi alimentate direct cu diferiți combustibili care conțin [[carbon]], ca [[gaz natural |gazul natural]], [[biogaz]]ul și chiar praful de [[cărbune]], deoarece folosesc un [[electrolit]] format din săruri topite ([[carbonat |carbonați]]), care nu sunt afectate de prezența [[dioxid de carbon |dioxidului de carbon]]. Randamentul lor pe partea electrică este bun, de c.&nbsp;50–60&nbsp;%, iar dacă se folosește și [[căldură |căldura]] produsă, randamentul energetic poate atinge 85&nbsp;%.<ref name=egov>{{en icon}} [https://www.energy.gov/eere/fuelcells/comparison-fuel-cell-technologies Comparison of Fuel Cell Technologies], energy.gov, accesat 2021-04-23</ref><ref name=DoD>{{en icon}} Daniel K. Rickleff, [https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf ''Hydrogen Powered Military Vehicles: A Vision or Reality by 2040?''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210424124740/https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a520073.pdf |date=2021-04-24 }}, dtic.mil, 2004, accesat 2021-04-24</ref> Sunt folosite ca surse de [[curent electric]] și căldură în [[industrie]] și în domeniul [[militar]].<ref name=EERE>{{en icon}} {{Cite web | title = Types of Fuel Cells | work = Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, United States Department of Energy | url = https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells | access-date = 2021-04-25}}
</ref>

== Descriere ==
Pilele de combustie cu carbonat topit folosesc un electrolit format dintr-un amestec de săruri topite plasate într-un suport ceramic inert din punct de vedere chimic, din alumină ({{en|beta-alumina solid electrolyte}}&nbsp;— BASE). Temperatura necesară topirii sărurilor este de peste 600&nbsp;°C. La această temperatură extragerea [[hidrogen]]ului necesar producției de curent se face printr-un proces de reformare direct în pilă, astfel că nu mai este nevoie de o unitate de reformare externă. Tot datorită temperaturilor înalte, la [[anod]] și [[catod]] se pot folosi catalizatori relativ ieftini, cum ar fi [[nichel]]ul. Performanțele acestor pile sunt mai bune ca ale pilelor cu acid fosforic (PAFC).<ref name=EERE/><ref name=uci>{{en icon}} {{Cite web|title = NFCRC Tutorial: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)|url = http://www.nfcrc.uci.edu/3/TUTORIALS/EnergyTutorial/mcfc.html|website = www.nfcrc.uci.edu|access-date = 2015-11-02|archive-url = https://web.archive.org/web/20181008011445/http://www.nfcrc.uci.edu/3/TUTORIALS/EnergyTutorial/mcfc.html|archive-date = 2018-10-08|url-status = dead}}</ref>

[[Ion]]ii pozitivi sunt cei de [[carbonat]] (CO<sub>3</sub><sup>2–</sup>), ca urmare nici electrolitul, nici catalizatorii nu sunt afectați de prezența dioxidului de carbon (CO<sub>2</sub>) cum sunt pilele de combustie de tip PEMFC și AFC. Dimpotrivă, pentru a se genera la catod ionii de carbonat pila trebuie alimentată nu doar cu oxidant, ci și cu CO<sub>2</sub>,<ref name=E362>Eshani, ''Modern…'', p. 362</ref> care este apoi recuperat la anod și recirculat la catod. Însă este necesară o sursă de CO<sub>2</sub> pentru compensarea pierderilor. Dacă combustibilul conține carbon, această problemă se rezolvă simplu. O altă sursă de CO<sub>2</sub> sunt impuritățile de CO<sub>2</sub> din oxigenul industrial, caz în care pila lucrează ca purificator electrochimic de oxigen.

Domeniul de puteri al acestor pile este 300–3000&nbsp;kW.<ref>{{en icon}} {{Cite web|title = Types of Fuel Cells - Fuel Cell Energy|url = http://www.fuelcellenergy.com/why-fuelcell-energy/types-of-fuel-cells/|archive-url = https://web.archive.org/web/20130825093652/http://www.fuelcellenergy.com/why-fuelcell-energy/types-of-fuel-cells/|url-status = dead|archive-date = 2013-08-25|website = www.fuelcellenergy.com|access-date = 2015-11-02}}</ref> Principalul dezavantaj al tehnologiei MCFC actuale este durabilitatea. Temperaturile ridicate la care funcționează aceste celule și electrolitul coroziv utilizat accelerează coroziunea și defectarea componentelor, scăzând durata de viață a pilei.<ref name=EERE/>

=== Reacții chimice ===
Dacă sunt alimentate cu [[metan]] (CH<sub>4</sub>), atunci la anod are loc o reacție preliminară de reformare a metanului, care produce hidrogenul necesar:
:<math>CH_4 + H_2O = 3H_2 + CO</math>
Oxidul de carbon (CO) format poate fi folosit prin reacția sa cu apa (reacție care mai produce puțin hidrogen) pentru producerea CO<sub>2</sub> necesar completării pierderilor, respectiv este evacuat în atmosferă, deci procesul nu este unul fără emisii de carbon.

La anod are loc reacția:<ref>Eshani, ''Modern…'', p. 361</ref><ref name=UoB>{{en icon}} {{Cite web|url = http://www.uobabylon.edu.iq/eprints/publication_12_2448_736.pdf|title = High Temperature Fuel Cells|access-date = 25 April 2021|website = University of Babylon}}</ref>
 
:<math>H_2 + CO_3^{2-} \rightarrow = H_2O + CO_2 + 2e^-</math>

Iar la catod:<ref name=E362/><ref name=UoB/>

:<math>\frac{1}{2}O_2 + CO_2 +2e^- \rightarrow CO_3^{2-}</math>

Bilanțul acestor reacții este:<ref name=UoB/>
:<math>H_2 + \frac{1}{2}O_2 +CO_{2, catod} \rightarrow H_2O + CO_{2, anod}</math>

===Funcționare ===
Ionii de CO<sub>3</sub><sup>2–</sup> se formează la catod din CO<sub>2</sub>, deci catodul trebuie alimentat și cu CO<sub>2</sub>, nu numai cu O<sub>2</sub>. Drept sursă de CO<sub>2</sub> se poate folosi cel separat din gazele generate la anod, adus la catod printr-un circuit de recirculare. Ionii de carbonat traversează [[electrolit]]ul și la anod revin la CO<sub>2</sub>.

=== Materiale ===
Temperatura mare de regim necesită materiale care rezistă la aceste temperaturi.

==== Anodul ====
Actual anodul este format din aliaje pe bază de nichel, cu 2–10&nbsp;% [[crom]] și [[aluminiu]]. Anodul are grosimea de câteva zecimi de mm și o porozitate de 45–70&nbsp;%, cu dimensiunea porilor de 3–6&nbsp;μm. Aceste aliaje favorizează formarea granulelor de LiCrO<sub>2</sub> și LiAlO<sub>2</sub> la limita lor, care îmbunătățesc rezistența la [[fluaj]] și previn fenomenele de [[sinterizare]].<ref>{{en icon}} {{Cite web|url = http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:12059/FULLTEXT01.pdf|title = The anode and the electrolyte in the MCFC|date = 2007|access-date = 1 November 2015|website = Diva Portal|last = Bodén|first = Andreas}}</ref> Cercetările vizează folosirea nanoparticulelor de Ni și a aliajelor de Ni pentru a crește performanțele și a reduce temperaturile de regim.<ref>{{en icon}} {{Cite journal|title = Nano Ni layered anode for enhanced MCFC performance at reduced operating temperature|journal = International Journal of Hydrogen Energy|date = 2014-08-04|pages = 12285–12290|volume = 39|issue = 23|doi = 10.1016/j.ijhydene.2014.03.253|first = Hoang Viet Phuc|last = Nguyen|first2 = Mohd Roslee|last2 = Othman|first3 = Dongho|last3 = Seo|first4 = Sung Pil|last4 = Yoon|first5 = Hyung Chul|last5 = Ham|first6 = Suk Woo|last6 = Nam|first7 = Jonghee|last7 = Han|first8 = Jinsoo|last8 = Kim}}</ref> Deși prin scăderea temperaturii de regim durata de viață a pilei crește, scade conductivitatea electrolitului, ceea ce este un efect negativ. Alte cercetări caută să reducă fluajul folosind anozi de Ni<sub>3</sub>Al.<ref>{{en icon}} {{Cite journal|title = Creep mechanism of porous MCFC Ni anodes strengthened by Ni3Al|journal = AIChE Journal|date = 2006-01-01|issn = 1547-5905|pages = 359–365|volume = 52|issue = 1|doi = 10.1002/aic.10630|first = Yun-Sung|last = Kim|first2 = Jun-Heok|last2 = Lim|first3 = Hai-Soo|last3 = Chun}}</ref>

==== Catodul ====
Catodul este format fie din [[titanat de litiu]] (Li<sub>2</sub>TiO<sub>3</sub>), fie din Ni poros care este transformat în oxid de nichel litiat (litiul este intercalat în cadrul structurii cristaline de NiO). Porozitatea catodului este de 60–70&nbsp;%, cu mărimea porilor de 7–15&nbsp;μm.<ref name=AW>{{en icon}} {{Cite web|url = https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:9666/FULLTEXT01.pdf|title = Development and Characterisation of Cathode Materials for the Molten Carbonate Fuel Cell|date = 2004|access-date = 26 April 2021|last = Wijayasinghe|first = Athula}}</ref> Principala problemă a materialul de la catod este dizolvarea NiO, deoarece reacționează cu CO<sub>2</sub> atunci când catodul este în contact cu electrolitul carbonat. Această dizolvare duce la precipitarea metalului Ni în electrolit și, deoarece este conductiv electric, scurtcircuitează local pila. Prin urmare, studiile actuale au analizat adăugarea de MgO la catodul NiO pentru a limita această dizolvare.<ref name=EA>{{en icon}} {{Cite journal|title = The stability of molten carbonate fuel cell electrodes: A review of recent improvements|journal = Applied Energy|pages = 4274–4293|volume = 88|issue = 12|doi = 10.1016/j.apenergy.2011.07.009|first = Ermete|last = Antolini|date = December 2011}}</ref> Oxidul de magneziu servește la reducerea solubilității Ni<sup>2+</sup> de la catod și scade precipitațiile în electrolit. Alternativ, înlocuirea materialului convențional de la catod cu un aliaj LiFeO<sub>2</sub>–LiCoO<sub>2</sub>–NiO evită aproape complet problema dizolvării Ni de la catod.<ref name=AW/>

==== Electrolitul ====
MCFC utilizează un electrolit lichid (carbonat topit) care constă din carbonat de sodiu (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) și potasiu (K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>). Acest electrolit este îmbibat într-un suport ceramic de LiAlO<sub>2</sub>. Pentru a se asigura o conductivitate ionică suficientă a carbonatului prin intermediul acestui electrolit sunt necesare temperaturi ridicate.<ref name=uci/> Electroliții obișnuiți pentru MCFC conțin 62&nbsp;% Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> și 38&nbsp;% K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>.<ref>{{en icon}} {{Cite journal|title = The mechanism of surface modification of a MCFC anode|journal = Journal of Electroanalytical Chemistry|date = 1998-01-15|pages = 65–68|volume = 441|issue = 1–2|doi = 10.1016/S0022-0728(97)00202-7|first = Baizeng|last = Fang|first2 = Xinyu|last2 = Liu|first3 = Xindong|last3 = Wang|first4 = Shuzhen|last4 = Duan}}</ref> Fracțiunea de carbonat de Li utilizată este în principiu cât mai mare datorită conductivității sale ionice mai mari, dar este limitată la 62&nbsp;% datorită solubilității reduse în ea a gazului și a difuzivității ionice a oxigenului. În plus, Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> este un electrolit foarte coroziv, iar acest raport de carbonați este cel mai puțin coroziv. Pentru reducerea coroziunii s-a studiat și înlocuirea carbonatului de potasiu cu carbonatul de sodiu. Electrolitul Li/Na s-a dovedit a avea o conductivitate mai mare și asigură o stabilitate mai bună a catodului în comparație cu electrolitul Li/K.<ref name=AK>{{en icon}} {{Cite journal|title = Materials issues and recent developments in molten carbonate fuel cells|journal = Journal of Solid State Electrochemistry|date = 2012-06-08|issn = 1432-8488|pages = 3123–3146|volume = 16|issue = 10|doi = 10.1007/s10008-012-1771-y|first = A.|last = Kulkarni|first2 = S.|last2 = Giddey}}</ref>

O altă problemă se referă la suportul electrolitului. Modificările de fază (γ-LiAlO<sub>2</sub> la α-LiAlO<sub>2</sub>) sunt însoțite de scăderea volumului electrolitului, ceea ce duce la o conductivitate ionică mai mică. S-a constatat că o matrice α-LiAlO<sub>2</sub> dopată cu alumină ar îmbunătăți stabilitatea fazelor, menținând în același timp performanțele pilei.<ref name=AK/>

== Utilizări ==
Puterile relativ mari, până la 3&nbsp;MW, le fac potrivite pentru furnizarea de energie electrică și termică în cogenerare pentru obiective staționare, cum ar fi unități industriale, spitale, obiective izolate sau militare.<ref name=EERE/> Deși teoretic pot fi alimentate cu [[benzină]],<ref name=E362/><ref>{{en icon}} R.P. Siegel, [https://www.triplepundit.com/story/2012/fuel-cell-energy-pros-and-cons/81846 ''Fuel Cell Energy: Pros and Cons''], triplepundit.com, 10 mai 2012, accesat 2021-04-26</ref> deoarece trebuie încălzite în prealabil pentru topirea electrolitului pornirea lor este lentă, răspund lent la variații de sarcină motive pentru care nu sunt potrivite pentru autovehicule,<ref name=E362/> în special la deplasări pe distanțe scurte.

== Note ==
{{listănote|2}}

== Bibliografie ==
* {{en icon}} Mehrdad Eshani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, Ali Emadi, ''Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design'', Boca Raton, London, New York, Washington DC: CRC Press LLC, 2005, {{ISBN|0-8493-3154-4}}, 

== Legături externe ==
* {{en icon}} [https://web.archive.org/web/20080309072502/http://www.fuelcellseminar.com/pdf/Direct_Carbon_Fuel_Cell_Workshop/Cooper_John.pdf LLNL: The Carbon/Air Fuel Cell Conversion of Coal-Derived Carbons]
* {{en icon}} [https://web.archive.org/web/20070630191203/http://dodfuelcell.cecer.army.mil/molten.html Fuel Cell Information] D0D Guide
* {{en icon}} [https://web.archive.org/web/20130320001652/http://live.pege.org/2006-hannover/gas-biogas-fuel-cell.htm MTU 240kW fuel cell] presented on the Hannover Fair 2006
* {{en icon}} [https://web.archive.org/web/20130203180025/http://www.fuelcellenergy.com/files/FCE%20WhitePaper%20040308_2.pdf Molten carbonate fuel cells distributed generation challenge]

{{Portal|Energie}}
{{Control de autoritate}}

[[Categorie:Pile de combustie|Carbonat]]