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Développement de la pile à combustible à carbonate fondu et à consommation de lignine (MC-LFC)

Ulrich Landry Compaore

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

The booming global demand for electricity is driven primarily by population growth (need to use more energy) and economic growth (need to produce even more). Indeed, this strong demand necessarily leads to the exploration of new energy production technologies or the improvement of existing technologies in a sustainable manner. To support this ambition, we have developed a new class of DCFC cell called molten carbonate and lignin fuel cell (MC-LFC) converting biobased carbon such as lignin through an electrochemical reaction into electricity and whose system efficiency exceeds 80%. whereas that of conventional heat engines does not exceed 40%. The development of this MC-LFC stack begins with an analytical study which consists of using modeling software such as FactSage and COMSOL. Indeed, the Factsage software exclusively allows simulating for the first time the decomposition of lignin in a molten carbonate solution in the presence or absence of CO2 gas. By varying the temperature between 500 °C and 900 °C and the pressure (between 1 ATM and 30 ATM), the results showed the presence of pure carbon and the formation of gases composed mainly of H2, CO, CO2, CH4, and H2O in different molar proportions. Subsequently, COMSOL software was able to release the predictable morphology of power density or voltage versus current density. We retained an analysis on the dependence of the performance of the MC-LFC fuel cell with respect to various physicochemical parameters of the materials (conductivity, porosity, permeability) and operating conditions (temperature and pressure). The results show that for a better performance of the MC-LFC cell, the exchange current density in the anode and cathode compartment must be respected in the interval [0.075 A/m2, 0.75 A/m2] and [1.58 A/m2, 15.8 A/m2]. The electrical conductivity of the electrolyte, anodic and cathodic materials can be respectively in the interval [26 S/m, 265 S/m], [25 S/m, 250 S/m] and [19 S/m, 60 S/m]. It is also noted that the increase in temperature from 700 K to 1000 K generates a drop in the maximum power density of the cell (approximately 1500 mW/cm2 to 1260 mW/cm2). LFC under a temperature of 500 °C. It should also be noted that the molar concentration of CO2 and O2 in the cathode compartment must be controlled (i.e., respectively less than 5 mol/m3 and 10 mol/m3). A porosity of 0.2 with a permeability between 10 m2 and 12 m2 or a porosity of 0.4 with a permeability between 10 m2 and 9 m2 is suitable for the MC-LFC pile because the variation of these parameters does not lead to a considerable change in the polarization curve.

Résumé

La demande mondiale d'électricité en plein essor est due principalement à l'augmentation de la population (besoin d'utiliser plus d'énergie) et à la croissance économique (besoin de produire encore plus). En effet, cette forte demande conduit nécessairement à explorer de nouvelles technologies de production d'énergie ou à améliorer les technologies existantes de manière durable. Pour soutenir cette ambition nous avons développé une nouvelle classe de pile DCFC nommée molten carbonate and lignin fuel cell (MC-LFC) convertissant du carbone biosourcé tel que la lignine à travers une réaction électrochimique en électricité et dont le rendement du système excède 80% alors que celui des moteurs thermiques classiques ne dépasse les 40%. La mise au point de cette pile MC-LFC débutent par une étude analytique qui consiste à utiliser des logiciels de modélisation tels que FactSage et COMSOL. En effet, le logiciel Factsage a permis exclusivement de simuler pour la première fois la décomposition de la lignine dans une solution de carbonate fondue en présence ou en absence de gaz CO2. En faisant varier la température entre 500 °C et 900 °C et la pression (entre 1 ATM et 30 ATM), les résultats ont montré la présence de carbone pur et la formation de gaz composés principalement de : H2, CO, CO2, CH4 et H2O selon différentes proportions molaires. Par la suite, le logiciel COMSOL a permis de dégager la morphologie prévisible de la densité de puissance ou de la tension en fonction de la densité de courant. Nous avons notamment envisagé une analyse sur la dépendance de la performance de la pile MC-LFC vis-à-vis de divers paramètres physico-chimiques des matériaux (conductivité, porosité, perméabilité) et des conditions d'opérations (température et pression). Les résultats montrent que pour une meilleure performance de la pile MC-LFC, la densité de courant d'échange dans le compartiment anodique et cathodique doit être respectivement dans l'intervalle [0,075 A/m2, 0,75 A/m2] et [1,58 A/m2, 15,8 A/m2]. La conductivité électrique de l'électrolyte, des matériaux anodique et cathodique peut se situer respectivement dans l'intervalle [26S/m, 265S/m], [25S/m, 250S/m] et [19S/m, 60S/m]. On constate aussi que l'augmentation de la température de 700K à 1000K engendre une baisse de la densité de puissance maximale de la pile (environ 1500 mW/cm2 à 1260 mW/cm2).On a tout intérêt à faire fonctionner la pile MC-LFC sous une température de 500°C . On note également que la concentration molaire de CO2 et de O2 dans le compartiment cathodique doit être contrôlée (soit respectivement inférieur à 5 mol/m3 et 10 mol/m3). Une porosité de 0,2 avec une perméabilité comprise entre 10 m2 et 12 m2 ou une porovi sité de 0,4 avec une perméabilité située dans l'intervalle 10 m2 et 9 m2 est convenable pour la pile MC-LFC car la variation de ces paramètres n'entraine pas de changement considérable sur la courbe de polarisation.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie métallurgique
Academic/Research Directors: Oumarou Savadogo
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10554/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Feb 2023 08:57
Last Modified: 08 Apr 2024 10:14
Cite in APA 7: Compaore, U. L. (2022). Développement de la pile à combustible à carbonate fondu et à consommation de lignine (MC-LFC) [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10554/

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