Vooruitgang in een brandstofceltechnologie aangedreven door vaste koolstof zou de opwekking van elektriciteit uit bronnen zoals steenkool en biomassa schoner en efficiënter kunnen maken, volgens een nieuw artikel gepubliceerd door onderzoekers van Idaho National Laboratory.

Het brandstofcelontwerp omvat innovaties in drie componenten:de anode, het elektrolyt en de brandstof. Samen, Door deze verbeteringen kan de brandstofcel ongeveer drie keer zoveel koolstof gebruiken als eerdere ontwerpen voor directe koolstofbrandstofcellen (DCFC).

De brandstofcellen werken ook bij lagere temperaturen en vertoonden hogere maximale vermogensdichtheden dan eerdere DCFC's, volgens INL materiaalingenieur Dong Ding. De resultaten verschijnen in de editie van deze week van het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Terwijl waterstofbrandstofcellen (bijv. protonenuitwisselingsmembraan (PEM) en andere brandstofcellen) wekken elektriciteit op uit de chemische reactie tussen zuivere waterstof en zuurstof, DCFC's kunnen een willekeurig aantal op koolstof gebaseerde bronnen gebruiken voor brandstof, inclusief kolen, cokes, teer, biomassa en organisch afval.

Omdat DCFC's gebruik maken van gemakkelijk verkrijgbare brandstoffen, ze zijn potentieel efficiënter dan conventionele brandstofcellen op waterstof. "Je kunt de energie-intensieve stap van het produceren van waterstof overslaan, ' zei Ding.

Maar eerdere DCFC-ontwerpen hebben verschillende nadelen:ze vereisen hoge temperaturen - 700 tot 900 graden Celsius - waardoor ze minder efficiënt en minder duurzaam zijn. Verder, als gevolg van die hoge temperaturen, ze zijn meestal gemaakt van dure materialen die de hitte aankunnen.

Ook, vroege DCFC-ontwerpen zijn niet in staat om de koolstofbrandstof effectief te gebruiken.

Ding en zijn collega's hebben deze uitdagingen aangepakt door een echte directe koolstofbrandstofcel te ontwerpen die in staat is te werken bij lagere temperaturen - onder 600 graden Celsius. De brandstofcel maakt gebruik van vaste koolstof, dat wordt fijngemalen en via een luchtstroom in de cel geïnjecteerd. De onderzoekers pakten de behoefte aan hoge temperaturen aan door een elektrolyt te ontwikkelen met behulp van sterk geleidende materialen - gedoteerd ceriumoxide en carbonaat. Deze materialen behouden hun prestaties bij lagere temperaturen.

Volgende, ze verhoogden het koolstofgebruik door een 3D-ontwerp van een keramisch textielanode te ontwikkelen dat bundels vezels als een stuk stof met elkaar verweven. De vezels zelf zijn hol en poreus. Al deze eigenschappen zorgen samen voor een maximale oppervlakte die beschikbaar is voor een chemische reactie met de koolstofbrandstof.

Eindelijk, de onderzoekers ontwikkelden een samengestelde brandstof gemaakt van vaste koolstof en carbonaat. "Bij de bedrijfstemperatuur dat composiet vloeibaar is, "Zei Ding. "Het kan gemakkelijk in de interface stromen."

Het gesmolten carbonaat draagt ​​de vaste koolstof in de holle vezels en de gaatjes van de anode, verhoging van de vermogensdichtheid van de brandstofcel.

De resulterende brandstofcel ziet eruit als een groene, keramische horlogebatterij die ongeveer zo dik is als een stuk bouwpapier. Een groter vierkant is 10 centimeter aan elke kant. Afhankelijk van de toepassing kunnen de brandstofcellen op elkaar worden gestapeld. De Geavanceerde materialen journal plaatste hier een video-samenvatting:

De technologie heeft het potentieel voor een beter gebruik van koolstofbrandstoffen, zoals kolen en biomassa, omdat directe koolstofbrandstofcellen koolstofdioxide produceren zonder het mengsel van andere gassen en deeltjes die worden aangetroffen in rook van kolengestookte elektriciteitscentrales, bijvoorbeeld. Dit maakt het eenvoudiger om koolstofafvangtechnologieën te implementeren, zei Ding.

Het geavanceerde DCFC-ontwerp is al opgemerkt door de industrie. Ding en zijn collega's werken samen met het in Salt Lake City gevestigde Storagenergy, Inc., om een ​​financieringsmogelijkheid voor kleine bedrijven voor innovatieonderzoek (SBIR)-Small Business Technology Transfer (STTR) aan te vragen. De resultaten worden in februari 2018 bekend gemaakt. Ook een Canadees energiegerelateerd bedrijf heeft interesse getoond in deze DCFC-technologieën.