溶融炭酸塩燃料電池

溶融炭酸塩燃料電池（MCFC ）は、600℃以上の 温度で動作する高温燃料電池です。

溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）は、天然ガス、バイオガス（嫌気性消化またはバイオマスガス化の結果として生成される）、および電力、産業、軍事用途の石炭ベースの 発電所向けに開発されました。MCFCは、多孔質で化学的に不活性なベータアルミナ固体電解質（BASE）のセラミックマトリックスに懸濁した溶融炭酸塩混合物からなる 電解質を使用する高温燃料電池です。650°C（約1,200°F）以上の非常に高い温度で動作するため、アノードとカソードの触媒として非貴金属を使用でき、コストを削減できます。^[1]

効率性の向上は、MCFC がリン酸燃料電池(PAFC)に比べて大幅なコスト削減を実現するもう 1 つの理由です。溶融炭酸塩燃料電池は 60% 近くの効率を達成することができ、リン酸燃料電池プラントの 37～42% の効率よりも大幅に高いです。廃熱を回収して使用すると、全体的な燃料効率は 85% まで上昇します。^[1]

アルカリ、リン酸、高分子電解質膜燃料電池とは異なり、MCFCは、よりエネルギー密度の高い燃料を水素に変換するために外部改質器を必要としません。MCFCは高温で動作するため、これらの燃料は内部改質と呼ばれるプロセスによって燃料電池自体の中で水素に変換され、コストも削減されます。^[1]

溶融炭酸塩燃料電池は、一酸化炭素や二酸化炭素による中毒を起こしにくく、二酸化炭素を燃料として使用することもできるため、石炭から作られたガスを燃料として使うのに魅力的です。他の燃料電池タイプよりも不純物に対する耐性が高いため、科学者は、石炭を水素に変換するときに生じる硫黄や微粒子などの不純物に対する耐性を持たせることができれば、石炭の内部改質も可能だと考えています。石炭は他の多くの化石燃料源よりも汚染度が高く、MCFC はそれを水素に変換する際に生じる不純物 (硫黄や微粒子など) に対して耐性を持たせることができます。また、MCFC では酸化剤とともに CO2 をカソードに送る必要があるため_、他の化石燃料発電所の排ガスから二酸化炭素を電気化学的に分離して隔離するのに使用できます。

現在のMCFC技術の主な欠点は耐久性です。これらのセルが動作する高温と使用される腐食性電解質は、コンポーネントの分解と腐食を加速し、セルの寿命を縮めます。科学者は現在、コンポーネント用の耐腐食性材料と、性能を低下させることなくセルの寿命を延ばす燃料電池の設計を研究しています。^[1]

溶融炭酸塩FCは、発電量が0.3～3MWの範囲にあることから、小規模および大規模のエネルギー分配/発電システムを対象とした最近開発されたタイプの燃料電池です。^[2]動作圧力は1～8気圧で、温度は600～700℃です。^{[3]化石燃料（メタン、天然ガス）の改質中に}_CO2が発生するため、MCFCは完全にグリーンな技術ではありませんが、信頼性と効率性（電気との共生に十分な熱）の点で有望です。現在のMCFCの効率は60～70%です。^[4]

内部改質器（メタンの例）:

${\displaystyle CH_{4}+H_{2}O=3H_{2}+CO}$

陽極（水素の例）：

${\displaystyle H_{2}+CO_{3}^{2-}=H_{2}O+CO_{2}+2e^{-}}$

陰極：

${\displaystyle {\frac {1}{2}}O_{2}+CO_{2}+2e^{-}=CO_{3}^{2-}}$

細胞：

${\displaystyle H_{2}+{\frac {1}{2}}O_{2}=H_{2}O}$

ネルンストの式:

${\displaystyle E=E^{o}+{\frac {RT}{2F}}log{\frac {P_{H_{2}}P_{O_{2}}^{\frac {1}{2}}}{P_{H_{2}O}}}+{\frac {RT}{2F}}log{\frac {P_{CO_{2},cathode}}{P_{CO_{2},anode}}}}$

MCFC は動作温度が高いため、セル内の条件に耐えられるよう材料を慎重に選択する必要があります。次のセクションでは、燃料電池に使用されるさまざまな材料と最近の研究成果について説明します。

アノード材料は、通常、多孔質（3〜6 μm、材料多孔度45〜70%）のNiベースの合金で構成されています。Niは、2〜10%の範囲でクロムまたはアルミニウムと合金化されます。これらの合金元素により、粒界でLiCrO 2 /LiAlO 2が形成され、材料のクリープ抵抗が向上し_、燃料_電池の高動作温度でアノードの焼結が防止されます。 ^[6]最近の研究では、ナノNiやその他のNi合金を使用して燃料電池の性能を向上させ、動作温度を下げることが検討されています。^[7]動作温度が低下すると、燃料電池の寿命が延び（腐食速度が低下）、より安価な構成材料を使用できるようになります。同時に、温度が低下すると電解質のイオン伝導性が低下するため、アノード材料はこの性能低下を補う必要があります（たとえば、電力密度を高めるなど）。他の研究者は、動作中にアノード内のNiの質量輸送を減らすためにNi ₃ Al合金アノードを使用してクリープ抵抗を強化することを検討しました。^[8]

セルの反対側では、カソード材料は、メタチタン酸リチウム、またはリチウム化ニッケル酸化物に変換された多孔質Ni（リチウムがNiO結晶構造内に挿入されている）のいずれかで構成されています。カソード内の細孔サイズは7〜15μmの範囲で、材料の60〜70％が多孔質です。^[9]カソード材料の主な問題は、カソードが炭酸塩電解質と接触するとCO2と反応するため、NiOが溶解することです_。この溶解により、電解質内にNi金属が沈殿し、導電性があるため、燃料電池が短絡する可能性があります。そのため、現在の研究では、この溶解を制限するためにNiOカソードにMgOを追加することが検討されています。^[10]酸化マグネシウムは、カソード内のNi ²⁺の溶解度を低下させ、電解質内の沈殿を減らします。あるいは、従来の正極材料をLiFeO2-LiCoO2-NiO合金に置き換えると、有望な性能結果が得られ、正極のNi溶解の問題をほぼ完全に回避できます。^[10]

MCFC は、炭酸ナトリウム (Na) と炭酸カリウム (K) からなる液体電解質(溶融炭酸塩) を使用します。この電解質は、電極間に液体を封じ込めるためにセラミック (LiAlO ₂ ) マトリックスで支えられています。この電解質を通して炭酸塩の十分なイオン伝導性を生み出すには、燃料電池の高温が必要です。^[3]一般的な MCFC 電解質には、62% の Li ₂ CO ₃と 38% の K ₂ CO ₃が含まれています。^[11]イオン伝導性が高いため、より多くの Li 炭酸塩が使用されますが、ガス溶解度と酸素のイオン拡散率が低いため、62% に制限されています。さらに、Li ₂ CO _{3 は}非常に腐食性の高い電解質であり、この炭酸塩の比率で腐食速度が最も低くなります。これらの問題のため、最近の研究では、炭酸カリウムを炭酸ナトリウムに置き換えることに焦点を当てています。^[12] Li/Na電解質は、Li/K電解質（Li/Kはより塩基性が高い）と比較して、より優れた性能（より高い伝導性）を示し、カソードの安定性を向上させることが示されています。さらに、科学者は、セルの動作中に材料の相変化（γ-LiAlO ₂からα-LiAlO _{2 ）などの問題を防ぐために、電解質のマトリックスを変更することも検討しました。相変化は電解質の体積減少を伴い、イオン伝導性の低下につながります。さまざまな研究を通じて、アルミナをドープしたα-LiAlO 2}マトリックスは、燃料電池の性能を維持しながら相安定性を向上させることがわかっています。 ^[12]

ドイツのMTUフリードリヒスハーフェン社は、 2006年のハノーバーフェアでMCFCを発表しました。このユニットは2トンの重さがあり、バイオガスを含むさまざまなガス燃料から240kWの電力を生成できます。天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用すると、排気ガスにCO2が含まれます_が、船舶燃料で稼働するディーゼルエンジンと比較して最大50％削減されます。^{[13]排気温度は400℃で、多くの工業プロセスに使用できるほど高温です。もう1つの可能性は、}蒸気タービンを介してより多くの電力を生成することです。供給ガスの種類に応じて、電気効率は12％から19％の間です。蒸気タービンを使用すると、効率が最大24％向上します。このユニットはコジェネレーションに使用できます。

• 燃料電池用語集
• 水素技術

• LLNL: 石炭由来炭素の炭素/空気燃料電池変換
• DoD 燃料電池 - 燃料電池の説明
• MTU 240kW燃料電池がハノーバーフェア2006で発表されました
• ローガン・エナジー・リミテッドは、すべての燃料電池技術を統合、設置、運用しています。
• 溶融炭酸塩燃料電池分散発電の課題
• 第4回炭素回収・隔離に関する年次会議でのプレゼンテーション