Synthesis of α-LiAlO2 powders of controlled particle size composition for a matrix electrolyte based on carbonate melts

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Three methods of synthesis α-LiAlO2 powders for the preparation of a matrix electrolyte for a molten carbonate fuel cell have been considered. The submicron fraction with a specific surface area of 79 m2/g was obtained from an aqueous solution by spray pyrolysis and the large rod-shaped fractions with particles up to 19 μm in length were obtained by synthesis in halide melt and in aqueous solution. Tape casted ceramic matrices were tested in the single fuel cell with 53Li2CO3–47Na2CO3 melt as an electrolyte. The matrices have demonstrated good gas tightness; nitrogen inleakage in anode space did not exceed 0.6 % during 1100 h lifetime test, which included 15 thermal cycles with cooling the cell below melting point of the electrolyte.

About the authors

A. S. Tolkacheva

Institute of High Temperature Electrochemistry

Author for correspondence.
Email: a.s.tolkacheva@urfu.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

M. A. Konopelko

Institute of High Temperature Electrochemistry

Email: a.s.tolkacheva@urfu.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Bischoff M. Large stationary fuel cell systems: Status and dynamic requirements // J. Power Sources. 2006. 154. № 2. P. 461–466.
  2. Alvarez T., Valero A., Montes J.M. // Energy. 2006. 31. № 10–11. P. 1358–1370. https://doi.org/10.1016/j.energy.2005.05.030
  3. Divan A., Zahedi A., Mousavi S.S. // Energy Build. 2022. 273. P. 112402. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2022.112402
  4. Rexed I., della Pietra M., McPhail S., Lindbergh G., Lagergren C. // Int. J. Greenh. Gas Control. 2015. 35. P. 120–130. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2015.01.012
  5. Cooper R., Bove D., Audasso E., Ferrari M.C., Bosio B. // Int. J. Hydrog. Energy. 2021. 46. № 28. P. 15024–15031. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.189
  6. Barckholtz T.A., Taylor K.M., Narayanan S., Jolly S., Ghezel-Ayagh H. Molten carbonate fuel cells for simultaneous CO2 capture, power generation, and H2 generation // Appl Energy. 2022. 313. P. 118553.
  7. Audasso E., Kim K.I., Accardo G., Kim H.S., Yoon S.P. Investigation of molten carbonate electrolysis cells performance for H2 production and CO2 capture // J. Power Sources. 2022. 523. P. 231039.
  8. Hosseini S.S., Mehrpooya M., Alsagri A.S., Alrobaian A.A. // Energy Convers. Manage. 2019. 197. P. 111878. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111878
  9. Baranov A.E., Erokhin M.A., Kazantseva N.N., Podymova O.A., Konopelko M.A., Zvezkin M.A. Ispytaniya demonstratsionnoy sistemy elektrokhimicheskoy regeneratsii vozdukha [Testing of a demonstration system for electrochemical air regeneration] // Problems of development of ship weapons and ship radio-electronic equipment. 2017. 4. № 13. P. 36–45. [In Russian].
  10. Yuh Ch.Y., Hilmi A. Smart Matrix Development for Direct Carbonate Fuel Cell. № DOE-FCE-EE0006606. FuelCell Energy, Danbury, CT (United States), 2018.
  11. Choi H.-J., Lee J.-J., Hyun S.-H., Lim H.-C. // Fuel Cells. 2010. 10. № 4. Р. 613–618. https://doi.org/10.1002/fuce.200900199
  12. Antolini E. The stability of LiAlO2 powders and electrolyte matrices in molten carbonate fuel cell environment // Ceram. Int. 2013. 39. № 4. P. 3463–3478. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.10.236
  13. Kharlamova O.A., Mitrofanova R. P., Tarasov K.A. [et al.] Low-temperature synthesis of highly disperse lithium gamma-monoaluminate // Chemistry for Sustainable Development. 2004. 12. P. 379383.
  14. Baron R., Wejrzanowski T., Milewski J., Szabłowski Ł., Szczęśniak A., Fung K.-Z. Manufacturing of γ-LiAlO2 matrix for molten carbonate fuel cell by high-energy milling // Int. J. Hydrog Energy. 2018. 43. № 13. P. 66966700. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.085
  15. Tolkacheva A.S., Porotnikova N.M., Farlenkov A.S, Il’ina E.A., Konopelko M.A. LiAlO2 prepared by nitrates-free synthesis for carbon capture by MCFCs. // Refract Ind Ceram. 2021. 62. № 4. Р. 414–420. https://doi.org/10.1007/s11148-021-00618-0
  16. Messing G.L., Zhang S.-C., Jayanthi G.V. Ceramic Powder Synthesis by Spray Pyrolysis // J. Am. Ceram. Soc. 1993. 76. № 11. P. 2707–2726. https://doi.org/10.1111/J.1151-2916.1993.TB04007.X
  17. Terada S., Higaki K., Nagashima I., Ito Y. Stability and solubility of electrolyte matrix support material for molten carbonate fuel cells // J. Power Sources. 1999. 83. № 1-2. P. 227230. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00282-7
  18. Yuh C., Colpetzer J., Dickson K., Farooque M., Xu G. Carbonate fuel cell materials // J. Mater. Eng. Perform. 2006. 15. № 4. P. 457462. https://doi.org/10.1361/105994906X117305
  19. Vine R.W., Schroll C.R., Reiser C.A. Molten Carbonate Fuel Cell Matrix Tape and Assembly Method, Raytheon Technologies, 1985. US Patent US4538348A.
  20. Gürbüz E., Hubert S., Jordan L., Albin V., Ringuedé A., Lair V., Cassir M. // Ceram. Int. 2022. 48. № 6. P. 74487455. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.142
  21. Hyun S.H., Baek K.H., Hong S.-A. Preparation of fiber-reinforced g-LiAlO2 matrixes by the tapecasting method // J. Korean Ceram. Soc. 1997. 34. Р. 303–313.
  22. Lee M., Lee C.-W., Ham H.-C., Han J., Yoon S.P., Lee K.B. Mechanical strength improvement of aluminum foam-reinforced matrix for molten carbonate fuel cells // Int. J. Hydrog Energy. 2017. 42. № 25. P. 1623516243.
  23. Chu Q., Wang X., Li B., Jin H., Cao X., Zhao X., Liu X. Flux synthesis and growth mechanism of Na0.5MnO2 whiskers // J. Cryst. Growth. 2011. 322. № 1. P. 103–108.
  24. Furubayashi A., Kimura T. // J Ceram Soc Japan. 2011. 119. № 1388. Р. 282–284. https://doi.org/10.2109/jcersj2.119.282
  25. Goodilin E.A., Pomerantseva E.A., Krivetsky V.V., Itkis D.M., Hesterc J., Tretyakov Yu.D. // J. Mater. Chem. 2005. 15. Р. 1614–1620. https://doi.org/10.1039/B416512H
  26. Hu L., Tang Z., Zhang Z. // Mater Lett. 2008. 62. Р. 2039–2042. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.11.013
  27. Joshi U.A., Chung S.H., Lee J.S. // Chem. Commun. 2005. Р. 4471–4473. https://doi.org/10.1039/B508168H
  28. Nayak M., Kutty T.R.N., Jayaraman V., Periaswamy G. // J. Mater. Chem. 1997. 7. № 10. Р. 2131–2137. https://doi.org/10.1039/A702065A
  29. Tang Z., Hu L., Zhang Z., Li J., Luo Sh. // Mater Lett. 2007. 61. Р. 570–573. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.05.020
  30. Tang Z., Hu L., Zhang Zh. // Int. J. Mater Prod Technol. 2010. 37. № 3/4. Р. 263–270. https://doi.org/10.1504/IJMPT.2010.031425
  31. Joshi U.A., Lee J.S. // Inorg. Chem. 2007. 46. № 8. P. 3176–3184. https://doi.org/10.1021/ic062227m
  32. Kim S.-D., Hyun S.-H., Lim T.H., Hong S.A. Effective fabrication method of rod-shaped γ-LiAlO2 particles for molten carbonate fuel cell matrices // J. Power Sources. 2004. 137. № 1. P. 24–29.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».