Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Influence of the anode pore-size distribution and total electrolyte filling degree on the MCFC performance
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemical Engineering and Technology.
Central Research Institute of Electric Power Industry, Energy Conversion Engineering Sector, Kanagawa Japan.
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemical Engineering and Technology.ORCID iD: 0000-0001-9203-9313
2008 (English)In: Journal of the Electrochemical Society, ISSN 0013-4651, E-ISSN 1945-7111, Vol. 155, no 2, B172-B179 p.Article in journal (Other academic) Published
Abstract [en]

Experimental data of the total cell reaction resistance as a function of the total electrolyte filling degree was measured to investigate how more electrolyte initially may be added to get as long a cell lifetime as possible. The reaction resistance of each electrode was also measured using two gas compositions and various total electrolyte filling degrees. A theoretical model for the distribution of electrolyte between the anode and the cathode as a function of the total electrolyte filling degree was used to compare the experimental data in this study with data from a symmetrical cell setup. The model takes into account the electrode pore-size distributions and considers two cases for the contact angle between the electrode and the electrolyte for the anode: a zero wetting angle (fully wetted) or reported experimental values for the wetting angle on pure Ni. It was concluded that after the cathode initially has been sufficiently filled with electrolyte the anode pores have to be smaller than the remaining ones of the cathode to allow having the anode act as a reservoir to prolong cell lifetime. The results from the experimental data and the theoretical model for electrolyte distribution were compared with results from a symmetrical setup.

Place, publisher, year, edition, pages
2008. Vol. 155, no 2, B172-B179 p.
Keyword [en]
Electrolytes; Mathematical models; Molten carbonate fuel cells (MCFC); Pore size; Size distribution; Wetting; Cell reaction resistance; Electrolyte filling; Anodes
National Category
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-7137DOI: 10.1149/1.2816213ISI: 000251906800023Scopus ID: 2-s2.0-37549036724OAI: oai:DiVA.org:kth-7137DiVA: diva2:12056
Note
QC 20100630Available from: 2007-05-16 Created: 2007-05-16 Last updated: 2017-12-14Bibliographically approved
In thesis
1. The anode and the electrolyte in the MCFC
Open this publication in new window or tab >>The anode and the electrolyte in the MCFC
2007 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other scientific)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kemiteknik, 2007. [7], 47 p.
Series
Trita-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2007:32
Keyword
composite electrolytes, electrode kinetics, nickel solubility, porous electrode, reformate, water-gas shift reaction, electrolyte, electrolyte distribution, hydrogen oxidation reaction, ion segregation, mass transport, mathematical modelling, MCFC, molten carbonate fuel cell
National Category
Chemical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-4382 (URN)978-91-7178-687-6 (ISBN)
Public defence
2007-06-01, F3, KTH, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 13:00
Opponent
Supervisors
Note
QC 20100630Available from: 2007-05-16 Created: 2007-05-16 Last updated: 2012-03-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Lindbergh, Göran

Search in DiVA

By author/editor
Bodén, AndreasLindbergh, Göran
By organisation
Chemical Engineering and Technology
In the same journal
Journal of the Electrochemical Society
Chemical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 137 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf