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《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Harmful Compounds by Adsorption Processes》
吸附法处理高温燃料电池中的有害化合物：吸附法去除有害化合物
作者：
Maria Turco
Angelo Ausiello
Luca Micoli
Department of Chemical Engineering,
Materials and Industrial Production
University of Naples Federico II
出版社：Springer
出版时间：2016年
《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Harmful Compounds by Adsor ...
《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Harmful Compounds by Adsor ...
《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Harmful Compounds by Adsor ...
《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Harmful Compounds by Adsor ...
目录
1 Processes of Biogas Production: Anaerobic Digestion
and Thermal Gasification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Anaerobic Digestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Anaerobic Digestion Steps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Substrates for Anaerobic Digestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Improvement of Biogas Production Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Pretreatment of Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Co-digestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Thermal Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 Operating Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.2 Gasifying Agent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.3 Updraft Gasification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.4 Downdraft Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Fuel Cells Operating and Structural Features
of MCFCs and SOFCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Fuel Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2 Comparison with Batteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.3 Comparison with Heat Engine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Sectors of Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 History of Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Fuel Cells Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.1 Fuel Cell Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Characteristics and Features. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 High Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2 Reduced Harmful Emissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.3 Modularity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
x Contents
2.5.4 Prompt Load Following. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.5 Static Nature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.6 Range of Applications and Fuel Flexibility. . . . . . . . . . . . . 47
2.5.7 High Cost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.8 Low Durability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.9 Hydrogen Infrastructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.10 Water Balance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.11 Parasitic Load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.12 Codes, Standards, Safety, and Public Awareness. . . . . . . . . 50
2.5.13 Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6 Fuel Cells Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.1 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). . . . . . . . 52
2.6.2 Alkaline Fuel Cell (AFC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.3 Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.4 Direct Methanol Fuel Cells (DMFC). . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.5 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6.6 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3 Fuel Cells Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2 The Hydrogen Economy, Hydrogen Fuelling Infrastructure,
and Fuel Cell Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.1 Chicken-Egg Issue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.2 Independence of Fuel Cell Technology. . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Major Barriers for Commercialization of Fuel Cells. . . . . . . . . . . . . 80
3.3.1 Costs of Fuel Cell Itself. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 Key Technical Barriers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.3 Theoretical Solutions of Fuel Cell Scaling-Up Issues. . . . . 82
3.4 The Market for FC Products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Contextual Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.1 Fuel Cell System Cost Reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6 Fuel Cell Combined Heat and Power Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 The Use of Biogas in MCFCs and SOFCs Technology:
Adsorption Processes and Adsorbent Materials for Removal
of Noxious Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Substrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Biogas to Biomethane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 Biogas Upgrading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Contents xi
4.4 Removal of H2S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.1 Removal of H2S During Digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.2 Removal of H2S After Digestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.3 Biological Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5 Adsorption on Activated Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.6 Ammonia Stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.7 Materials for Sulfur Removal: Activate Carbons and Zeolites. . . . . . 112
4.8 Removal of Sulfur Compounds in Fuels by Adsorption Processes. . . 117
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5 The Effect of Sulfur Compounds on MCFC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1 Sulfur Poisoning on the MCFC Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2 Effect of SO2 on Cathode and H2S on Anode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6 The Effect of Biogas Impurities on SOFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.2 Effect of Halogenated Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3 Effect of Sulfur Compounds on SOFC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.1 Levels of Sulfur-Containing Compounds in Biogas. . . . . . . 141
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7 The Effects of Siloxanes on High-Temperature Fuel Cells. . . . . . . . . . 151
7.1 Siloxanes in Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Effect of Siloxanes on SOFC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3 Siloxanes Removal Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.3.1 Adsorption Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
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