The Anode and the Electrolyte in the MCFC Andreas Bodén
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
The anode and the electrolyte in the MCFC Andreas Bodén DOCTORAL THESIS KTH – Chemical Science and Engineering Department of Chemical Engineering and Technology Applied Electrochemistry Kungliga Tekniska Högskolan Stockholm, 2007 AKADEMISK AVHANDLING som med tillstånd av Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm framlägges till offentlig granskning för avläggande av teknologie doktorsexamen fredagen den 1 juni 2007, kl. 13.00 i sal F3, Lindstedtsvägen 26, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm © Andreas Bodén 2007 TRITA-CHE-Report 2007:32 ISSN 1654-1081 ISBN 978-91-7178-687-6 ABSTRACT A goal of the Swedish government is to increase the usage of renewable fuels and biomass-based fuels. Fuel cells, and especially the MCFC, are useful for these types of fuels. The Swedish market may benefit from the MCFC in two ways: increased efficiency of the biofuels and also utilisation of produced heat in district heating. Most of the commercial MCFC systems today are optimised for use with methane. The possibility to utilise biomass in Sweden makes it important to study how the MCFC may be adapted or optimised for good performance and low degradation with gas produced from biomass or other renewable fuels. This thesis is focused on methods that may be used to investigate and evaluate MCFC electrodes and electrolytes with renewable fuels i.e. CO2-containing gases. The methods and results are both experimental and mathematically modelled. The objectives of this thesis are to better understand how the performance of the anode is dependent on different fuels. Anode kinetics and the water- gas shift reaction have been investigated as well as the possibility to increase cell lifetime by increasing the initial electrolyte amount by having the anode as a reservoir. The effect of segregation of cations in the electrolyte during operation has also been studied. It was found that if the gas composition at the current collector inlet is in equilibrium according to the water gas-shift reaction the gas composition inside the electrode is almost uniform. However, if the gas is not in equilibrium then the concentration gradients inside the current collector have a large effect on the gas composition inside the electrode. The conversion of the gas in the gas flow channels according to the water-gas shift reaction depends on the gas flow rate. For an anode used in a gas mixture of humidified hydrogen and carbon dioxide that are not in equilibrium some solubility of Ni in a (Li/Na)2CO3 mixture was found. To have the anode act as an electrolyte reservoir to prolong cell lifetime the anode pore size should be carefully matched with that of the cathode and a bimodal pore-size distribution for the anode is preferable to have as good performance as possible for as large electrolyte filling degree interval as possible. Modelling results of segregation of cations in the electrolyte during operation indicate that the electrolyte composition changes during operation and that the lithium ions are enriched at the anode for both types of electrolyte used for the MCFC. The electrolyte composition changes are small but might have to be considered in long-time operation. The results from this thesis may be used to better understand how the MCFC may be used for operation with renewable fuels and how electrodes may be designed to prolong cell lifetime. Keywords: composite electrolytes, electrode kinetics, electrolyte, electrolyte distribution, hydrogen oxidation reaction, ion segregation, mass transport, mathematical modelling, MCFC, molten carbonate fuel cell, nickel solubility, porous electrode, reformate, water-gas shift reaction SAMMANFATTNING Ett av den svenska regeringens mål är att öka användandet av förnyelsebara bränslen och bränslen från biomassa. Bränsleceller och framförallt MCFC är användbara för dessa typer av bränslen. Den svenska marknaden kan dra fördelar av MCFC på två sätt; ökad bränsleutnyttjandegrad och utnyttjande av producerad värme för fjärrvärme. De flesta kommersiella MCFC-systemen idag är optimerade för användning av metan. Möjligheten att använda biomassa på den svenska marknaden gör det viktigt att studera hur MCFC kan anpassas eller optimeras för bra prestanda och låg degradering för användning med gas från biomassa eller andra förnyelsebara bränslen. Fokus i denna avhandling är på metoder som kan användas för att undersöka och utvärdera MCFC-elektroder och -elektrolyter med förnyelsebara bränslen, dvs. gaser innehållande CO2. Metoderna och resultaten är både experimentella och matematiskt modellerade. Målet med denna avhandling är att bättre förstå hur anodens prestanda beror på användningen av olika bränslen. Anodens kinetik och vattengasskiftreaktionen har studerats liksom möjligheten att förlänga cellens livstid genom att öka den initiala mängden elektrolyt medelst användning av anoden som reservoar. Effekten av segregation av katjoner i elektrolyten under last har också undersökts. Om gassammansättningen är i jämvikt enligt vattengasskiftreaktionen vid inloppet till strömtilledaren kommer gassammansättningen att vara nära uniform inuti elektroden. Om ingående gas inte är i jämvikt kommer stora koncentrationsgradienter uppkomma i strömtilledaren och påverka gassammansättningen i elektroden. Omsättningen med avseende på vattenskiftreaktionen av gasen i flödeskanalen verkar vara beroende av gasens flödeshastighet. För en anod som används i en uppfuktad blandning av vätgas och koldioxid som inte är i jämvikt befanns det att Ni har en viss löslighet i (Li/Na)2CO3. För att kunna använda anoden som reservoar för elektrolyt för att förlänga livstiden för MCFC skall anodens porstorleksfördelning överensstämma med katodens och ha en bimodal porstorleksfördelning för att ge en tillräckligt god prestanda i ett så stort elektrolytfyllnadsgradsintervall som möjligt. Modelleringsresultat för segregering av katjoner i elektrolyten under drift visar att litiumjoner anrikas i anoden för båda typerna av elektrolyt som används i MCFC. Elektrolytkoncentrationsförändringarna är små men kan behövas tas i beaktande vid långa driftstider. Denna avhandlings resultat kan användas för att bättre förstå hur MCFC skall anpassas för drift med förnyelsebara bränslen och hur elektroder kan utformas för att förlänga livstiden. Nyckelord: elektrodkinetik, elektrolyt, elektrolyt fördelning, jonsegregering, kompositelektrolyt, löslighet av nickel, masstransport, matematisk modellering, MCFC, porösa elektroder, reformat, smältkarbonatbränslcell, vattengasskiftreaktionen, vätgasoxidationsreaktionen LIST OF PAPERS This thesis is a summary of the following papers: I. A Steady-State Model of the Porous Molten Carbonate Fuel Cell Anode for Investigation of Kinetics and Mass Transfer Mari Sparr, Andreas Bodén and Göran Lindbergh J. Electrochem. Soc., 153(8), A1525-A1532 (2006) II. The solubility of Ni in molten Li2CO3-Na2CO3 (52/48) in H2/H2O/CO2 atmosphere Andreas Bodén, Masahiro Yoshikawa and Göran Lindbergh J. Power Sources, 166, 59-63 (2007) III. Experimental determination of effective surface area and conductivities in the porous anode of molten carbonate fuel cell Masahiro Yoshikawa, Andreas Bodén, Mari Sparr and Göran Lindbergh J. Power Sources, 158, 94-102 (2006) IV. Influence of the anode pore-size distribution and total electrolyte filling degree on the MCFC performance Andreas Bodén, Masahiro Yoshikawa and Göran Lindbergh Manuscript V. A Model for Mass Transport of Molten Alkali Carbonate Mixtures Applied to the MCFC Andreas Bodén and Göran Lindbergh J. Electrochem. Soc., 153(11), A2111-A2119 (2006) VI. Conductivity of SDC and (Li/Na)2CO3 composite electrolytes in reducing and oxidising atmosphere Andreas Bodén, Jing Di, Carina Lagergren, Göran Lindbergh and Cheng Yang Wang Manuscript submitted to Journal of Power Sources My contributions to the papers in this thesis I would hereby like to point out some significant contributions to the papers in this thesis that I have not been participating in. In Paper I I have not performed the experiments and the derivation of kinetic expression for the reactions. Paper III is the result of Dr. Yoshikawa’s work at our department. I have been involved in the experimental work and the evaluation of the results but I did not perform the measurements and I was not involved in the evaluation of the reaction-rate distribution. In Paper IV I have not made the measurements of the cathode reaction resistance in the symmetrical setup. In Paper VI I have been fully involved except that I have not performed all the measurements. ACKNOWLEDGEMENTS Professor Göran Lindbergh, my supervisor, thank you for your support and guidance through this work. Thanks for accepting me into your group, solving and discussing lab issues and theory in electrochemistry especially in late work hours and for supporting me also in non-work issues. Secondly to my supplement supervisor Dr. Carina Lagergren, thank you for your help and discussion regarding laboratory equipment and MCFC and the help in putting this thesis together. To all my colleagues both former and present at Applied Electrochemistry for creating a friendly and helpful working environment. I will miss all the small events with the group and the discussions in the coffee room. Two special thanks go to Dr. Mari Sparr for our co-operation and interesting discussions and to Thomas Tingelöf for morgonpassan and other crazy things. To my roommate Thomas Vernersson for sharing early bird mornings, too much coffee drinking, eating all those sushi plates, striking each others work, making all the possible