Registrering av småskalig fastoxidbränslecell skulle kunna driva stadsdelar

Anonim

Registrering av småskalig fastoxidbränslecell skulle kunna driva stadsdelar

Miljö

Darren Quick

1 juni 2012

2 bilder

Det högeffektiva, småskaliga SOFC-systemet som utvecklats hos PNNL har PNNL-utvecklad mikrokanalteknik och två ovanliga processer, kallad yttre ångreformering och återvinning av bränsle

Ett nytt, småskaligt fastoxidbränslecellssystem (SOFC) utvecklat vid Department of Energys Pacific Northwest National Laboratory (DoE PNNL) skulle kunna användas för kraftproduktion i hushåll och grannskap. Bränsles med metan, uppnår systemet en effektivitet på upp till 57 procent, vilket förbättrar de 30-50-procentiga effektiviteter som tidigare visats i SOFC-system med liknande storlek. PNNL-forskarna säger att det pilotsystem de har byggt genererar tillräckligt med el för att driva det genomsnittliga amerikanska hemmet, och kan skalas upp för att ge ström till 50 till 250 bostäder.

Fastoxidbränsleceller

Liksom batterier använder bränsleceller anoder, katoder och elektrolyter för att producera el. Men till skillnad från de flesta batterier kan bränsleceller kontinuerligt producera el om den är försedd med en konstant bränsleförsörjning. Bränsleceller kännetecknas av deras elektrolytmaterial, vilket i fallet med SOFC är en fast oxid eller keramik. Keramiska material bildar också anoden och katoden, som tillsammans med elektrolyten bildar tre skikt.

Luft pumpas upp mot katoden, som bildar det yttre skiktet, varvid syre från luften blir en negativt laddad jon där katoden och det inre elektrolytskiktet möts. Den negativt laddade syrgasjonen rör sig sedan genom elektrolyten för att nå det slutliga anodskiktet där det reagerar med ett bränsle för att skapa el, såväl som ånga och koldioxidbiprodukter. SOFC kan köras på olika bränslen, inklusive naturgas, biogas, väte, men PNNL-laget valde metan - den primära komponenten av naturgas - för att driva sin nya SOFC.

Eftersom de är mer effektiva än andra metoder för elproduktion, inklusive kolkraftverk, förbrukar SOFCs mindre bränsle och skapar mindre förorening för att generera samma mängd el. Småskaliga SOFC har också fördelen att de kan placeras närmare den el som genereras, vilket minskar mängden ström som går förlorad när den skickas via överföringsledningar.

"Celler med fastoxidbränsle är en lovande teknik för att ge ren och effektiv energi. Men hittills har de flesta fokuserat på större system som producerar 1 megawatt kraft eller mer och kan ersätta traditionella kraftverk, säger Vincent Sprenkle, chefingenjör av PNNLs fastoxidbränslecellutvecklingsprogram. "Denna undersökning visar emellertid att mindre solidoxidbränsleceller som genererar mellan 1 och 100 kilowatt kraft är ett livskraftigt alternativ för högeffektiv lokaliserad kraftproduktion. "

I syfte att utforma ett litet system som var mer än 50 procent effektivt och även kan uppskalas för att producera el till kvarter, kombinerade PNNL-teamet extern ångreformering och återvinning av bränsle med mikrokanalteknik.

Ångreformering

Ångreformering innebär att man blandar ånga med bränslet så att de reagerar på att skapa kolmonoxid och väte, som i sin tur reagerar med syre vid bränslecellens anod. Eftersom denna process kräver värme som kan orsaka ojämna temperaturer på de keramiska skikten och leda till försvagning och bristning av bränslecellen, använde PNNL-teamet en värmeväxlare för att möjliggöra initiala reaktioner mellan ånga och bränslet som ska slutföras utanför bränslecellen i vad som kallas yttre ångreformering.

Värmeväxlare består av en vägg tillverkad av ledande material som separerar de två gaserna. Den heta avgasen som utvisas som en biprodukt av reaktionen inuti bränslecellen ligger på ena sidan, medan en svalare gas som går mot bränslecellen ligger på den andra. Värme från den heta gasen rör sig genom väggen för att värma den inkommande gasen till de temperaturer som behövs för att reaktionen skall ske inuti bränslecellen.

Mikrokanalvärmeväxlare

Men istället för att bara ha en vägg som skiljer de två gaserna skapade PNNL-forskarna flera väggar med en serie små looping-kanaler, smalare än en papperslipning. Dessa mikrokanalvärmeväxlare ökar ytan så att mer värme överförs, vilket ökar systemets effektivitet. Mikrokanalvärmeväxlaren var också konstruerad så att gasen rör sig genom loopningskanalerna med mycket lite extra tryck.

Ångåtervinning

PNNL-systemet återvinner även avgaserna från anoden, som består av ång- och värmebiprodukter, för att upprätthålla ångreformeringsprocessen. Inte bara innebär detta återvinning att behovet av en elektrisk apparat värms för att värma vatten och skapa ånga, det betyder också att systemet kan använda upp lite kvarvarande bränsle som inte förbrukades första gången.

Kombinationen av extern ångreformering och ångåtervinning och användning av mikrokanalvärmeväxlare möjliggör för systemet att använda så lite energi som möjligt med slutresultatet att vara mer nettoproduktion. I laboratorietesterna säger teamet att de har en effektiv effekt på allt från 48, 2 procent till 2, 2 kW, upp till 56, 6 procent vid 1, 7 kW. Med några få justeringar tror teamet att de kan höja systemets effektivitet till 60 procent.

Med det genomsnittliga amerikanska hemmet som konsumerar ungefär 2 kW eller el, kan pilotsystemet användas för hushållens elproduktion. Men de konstruerade också den så att den kunde uppskalas för att producera mellan 100 och 150 kW, vilket skulle kunna ge tillräckligt med el till 50-100 bostäder. PNNL-teamet hoppas att deras forskning översätts till bara ett sådant system som kan användas av enskilda hushåll eller verktyg.

PNNL-teamets småskaliga SOFC beskrivs i ett papper som publiceras i tidskriften för kraftkällor .

Källa: PNNL

Det högeffektiva, småskaliga SOFC-systemet som utvecklats hos PNNL har PNNL-utvecklad mikrokanalteknik och två ovanliga processer, kallad yttre ångreformering och återvinning av bränsle

Mikrokanaler som är smalare än ett pappersband är etsade på värmeväxlarens skum, som har tagits bort i detta foto för illustrativa ändamål