Opname-instelling op kleine schaal vaste oxide brandstofcel kan kracht buurten

Anonim

Opname-instelling op kleine schaal vaste oxide brandstofcel kan kracht buurten

Milieu

Darren Quick

1 juni 2012

2 afbeeldingen

Het zeer efficiënte, kleinschalige SOFC-systeem dat bij PNNL is ontwikkeld, heeft PNNL-ontwikkelde microchanneltechnologie en twee ongebruikelijke processen, externe stoomreforming en brandstofrecycling genaamd

Een nieuw, kleinschalig solid oxide fuel cell (SOFC) -systeem, ontwikkeld door het Department of Energy Pacific Northwest National Laboratory (DoE PNNL), kan worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit in huishoudens en in de buurt. Gevoed door methaan, bereikt het systeem een ​​efficiëntie van maximaal 57 procent, wat de efficiëntie van 30 tot 50 procent verbetert die eerder werd waargenomen in SOFC-systemen van vergelijkbare grootte. De PNNL-onderzoekers zeggen dat het pilootsysteem dat ze hebben gebouwd voldoende elektriciteit genereert om het gemiddelde Amerikaanse huis van elektriciteit te voorzien, en kan worden opgeschaald om stroom te leveren voor 50 tot 250 huishoudens.

Vasteoxidebrandstofcellen

Net als batterijen gebruiken brandstofcellen anoden, kathoden en elektrolyten om elektriciteit te produceren. Maar in tegenstelling tot de meeste accu's, kunnen brandstofcellen continu elektriciteit produceren als ze worden voorzien van een constante brandstoftoevoer. Brandstofcellen worden gekenmerkt door hun elektrolytmateriaal, dat in het geval van SOFC's een vast oxide of keramiek is. Keramische materialen vormen ook de anode en kathode die, samen met het elektrolyt, drie lagen vormen.

Lucht wordt opgepompt tegen de kathode, die de buitenste laag vormt, waarbij zuurstof uit de lucht een negatief geladen ion wordt waar de kathode en de binnenste elektrolytlaag elkaar ontmoeten. Het negatief geladen zuurstofion gaat vervolgens door de elektrolyt om de laatste anodelaag te bereiken, waar het reageert met een brandstof om elektriciteit te creëren, evenals stoom- en koolstofdioxide-bijproducten. SOFC's kunnen op verschillende brandstoffen rijden, inclusief aardgas, biogas, waterstof, maar het PNNL-team koos methaan - het primaire bestanddeel van aardgas - om de nieuwe SOFC van brandstof te voorzien.

Omdat ze efficiënter zijn dan andere methoden voor elektriciteitsopwekking, inclusief steenkoolcentrales, verbruiken SOFC's minder brandstof en creëren ze minder vervuiling om dezelfde hoeveelheid elektriciteit te genereren. Kleinschalige SOFC's hebben ook het voordeel dichter bij de plaats te kunnen worden geplaatst waar de opgewekte elektriciteit wordt verbruikt, waardoor de hoeveelheid energie die verloren gaat bij verzending via transmissielijnen wordt verminderd.

"Vaste-oxide brandstoffen cellen zijn een veelbelovende technologie voor het leveren van schone, efficiënte energie. Maar tot nu toe hebben de meeste mensen gefocust op grotere systemen die 1 megawatt aan vermogen produceren of meer en traditionele elektriciteitscentrales kunnen vervangen, " zei Vincent Sprenkle, hoofdingenieur van het vaste oxidebrandstofcelontwikkelingsprogramma van PNNL. "Echter, dit onderzoek toont aan dat kleinere vaste oxide brandstofcellen die tussen 1 en 100 kilowatt vermogen genereren een haalbare optie zijn voor zeer efficiënte, lokale stroomopwekking. "

Met het doel een klein systeem te ontwerpen dat meer dan 50 procent efficiënt was en ook kon worden opgeschaald om elektriciteit te produceren voor buurten, combineerde het PNNL-team externe stoomhervorming en brandstofrecycling met microchanneltechnologie.

Stoomreforming

Stoomreforming omvat het mengen van stoom met de brandstof, zodat deze reageert om koolmonoxide en waterstof te maken, die op zijn beurt reageert met zuurstof aan de anode van de brandstofcel. Omdat dit proces warmte vereist die ongelijke temperaturen op de keramische lagen kan veroorzaken en tot verzwakking en breuk van de brandstofcel kan leiden, heeft het PNNL-team een ​​warmtewisselaar gebruikt om de aanvankelijke reacties tussen stoom en brandstof buiten de brandstofcel te voltooien in wat bekend staat als externe stoomreforming.

Warmtewisselaars bestaan ​​uit een wand gemaakt van een geleidend materiaal dat de twee gassen scheidt. De hete uitlaat die wordt uitgestoten als bijproduct van de reactie in de brandstofcel bevindt zich aan de ene kant, terwijl een koeler gas dat op de brandstofcel afkomt zich aan de andere kant bevindt. Warmte van het hete gas beweegt door de wand om het inkomende gas op te warmen tot temperaturen die nodig zijn om de reactie in de brandstofcel te laten plaatsvinden.

Microchannel-warmtewisselaars

Maar in plaats van slechts één muur tussen de twee gassen te hebben gemaakt, creëerden de onderzoekers van PNNL meerdere wanden met behulp van een reeks kleine luskanalen, smaller dan een paperclip. Deze microkanaal-warmtewisselaars vergroten het oppervlak om meer warmte te kunnen overdragen, waardoor de efficiëntie van het systeem wordt verhoogd. De microkanaal-warmtewisselaar was ook zo ontworpen dat het gas door de luskanalen beweegt met zeer weinig extra druk.

Stoomrecycling

Het PNNL-systeem recycleert ook de uitlaat die uit de anode komt, bestaande uit stoom- en warmtebijproducten, om het stoomreformeringsproces te handhaven. Deze recycling maakt niet alleen de noodzaak van een elektrisch apparaat overbodig om water te verwarmen en stoom te creëren, het betekent ook dat het systeem in staat is om een ​​deel van de overgebleven brandstof te gebruiken die niet de eerste keer werd verbruikt.

Door de combinatie van externe stoomreforming en stoomrecycling en het gebruik van microkanaal warmtewisselaars kan het systeem zo weinig mogelijk energie gebruiken, met als eindresultaat meer netto elektriciteitsproductie. In laboratoriumtests zegt het team dat de netto-efficiëntie varieert van 48, 2 procent bij 2, 2 kW, tot 56, 6 procent bij 1, 7 kW. Met nog enkele aanpassingen denkt het team dat ze de efficiëntie van het systeem kunnen verhogen tot 60 procent.

Met het gemiddelde Amerikaanse huis dat ongeveer 2 kW of elektriciteit verbruikt, zou het pilootsysteem kunnen worden gebruikt voor het opwekken van huishoudelijk vermogen. Ze hebben het echter ook zo ontworpen dat het kan worden opgeschaald om tussen 100 en 150 kW te produceren, wat genoeg elektriciteit zou kunnen leveren om 50 tot 100 huizen van stroom te voorzien. Het PNNL-team hoopt dat hun onderzoek zich vertaalt in zo'n systeem dat door individuele huishoudens of nutsbedrijven kan worden gebruikt.

De kleinschalige SOFC van het PNNL-team is gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in het Journal of Power Sources .

Bron: PNNL

Het zeer efficiënte, kleinschalige SOFC-systeem dat bij PNNL is ontwikkeld, heeft PNNL-ontwikkelde microchanneltechnologie en twee ongebruikelijke processen, externe stoomreforming en brandstofrecycling genaamd

Microkanalen die smaller zijn dan een paperclip worden geëtst op de schijf van de warmtewisselaar, die op deze foto is verwijderd voor illustratieve doeleinden