《Treatment of Biogas for Feeding High Temperature Fuel Cells: Removal of Ha...
《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
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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