Mere effektivt, længerevarende fastoxidbrændselsceller

Fast oxid brændselsceller, eller SOFC'er, er enheder, der producerer både elektricitet og varme ved at oxidere et brændstof som naturgas eller biogas. Denne energieffektive, nul-emissionsteknologi har potentiale til at møde indenlandsk og kommerciel magt, varme- og varmtvandsbehov.

Mens optagelsen er høj i lande som Japan, SOFC'er har endnu ikke fået fat i Europa, ikke mindst fordi høje produktionsomkostninger udgør en barriere for at fremstille cellerne i stor skala. Men ny forskning fra et hold på EPFL kan vise sig at være en game changer.

Ingeniører ved Laboratoriet for Anvendt Mekanisk Design (LAMD), baseret på Microcity i Neuchâtel, har udtænkt en ny måde at forbedre effektiviteten af ​​indenlandske SOFC'er, dvs. celler vurderet til 6 kWe (kilowatt-elektrisk). Den dampturbinedrevne ventilator, som recirkulerer gasser gennem systemet, øger også cellelevetiden. Dette samarbejdsprojekt involverede tre partnere:LAMD, gruppen af ​​energimaterialer (GEM) baseret på EPFL Valais Wallis campus i Sion og ledet af Jan Van Herle, og SOLIDpower SA, et privat firma beliggende i Yverdon-les-Bains. Et papir, der beskriver forskningen, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Applied Energy.

Gas recirkulation

Forskerne opnåede disse effektivitets- og levetidsgevinster ved hjælp af et nyt system kaldet en anode-off-gas recirkulationsventilator. Under normale forhold, SOFC'er omdanner kun omkring 80-85 % af det tilførte brændstof, som kun passerer cellen én gang. Ved at tilslutte stikkontakten til indgangen, holdet var i stand til at recirkulere gasserne gennem cellen endnu en gang. Fordi SOFC'er fungerer ved temperaturer over 600°C, "recirkulationsblæseren øger trykket af udgangsgasserne, at bringe det til et niveau, der er kompatibelt med trykket inde i cellen, siger Patrick Wagner, avisens hovedforfatter.

Med det nye system, holdet observerede imponerende effektivitetsgevinster på så meget som 10 %. "Da vi koblede blæseren til en brændselscelle, der er klassificeret indenlandsk, kører med dellast, eller 4,5 kWe, vi opnåede en bruttoeffektivitet på 66 %, siger Jürg Schiffmann, hvem leder LAMD. Til sammenligning, de mest avancerede kraftværker opnår en virkningsgrad på 63 % uden at generere genvindelig varme. I øvrigt, disse anlæg opererer ved kapacitetsintervaller i hundredvis af megawatt-elektriske, eller MWe. I Schweiz, omkring 6 % af denne energi går tabt mellem nettilførsel og udtagning.

Ud over at forbedre effektiviteten, ventilatorsystemet forlænger også cellens levetid, fordi den recirkulerede gasblanding øger katalysatorstabiliteten.

Slidstærkt og selvforsynende

Gasrecirkulation er måske ikke et nyt koncept i sig selv, men teamets design markerer et rent brud med tidligere systemer. Ventilatoren er udstyret med dampsmurte lejer udviklet på LAMD og er drevet af en miniature dampturbine, der kører på varmen produceret af cellen.

Forskerne valgte dampsmurte lejer for at undgå risikoen for forurening. "SOFC'er, som næsten alle katalytiske enheder, er ekstremt sarte, " siger Wagner. "Hvis olie eller et andet smøremiddel finder vej indenfor, det kan give reelle problemer. Dampsmurte lejer er mekaniske dele, der ikke kræver nogen olie. Den roterende del af systemet sidder på en pude af luft, der genereres af akslen - en anden del af systemet - mens den drejer." Dette design har en anden fordel:bortset fra under opstart og nedlukning, ingen af ​​delene kommer i kontakt med hinanden, hvilket betyder, at de ikke bæres.

Holdet brugte en dampturbine, fordi SOFC-udløbsgasser indeholder brint og andre potentielt eksplosive forbindelser i det resterende brændstof. "Vores recirkulationsventilator er udelukkende lavet af mekaniske dele, så det udgør absolut ingen sikkerhedsrisiko, " tilføjer Wagner. "Det ville ikke have været tilfældet, hvis vi havde brugt en elektrisk motor." 34-Watt-turbinen er ideel til boligklassificerede SOFC'er. Måler kun 15 mm i diameter, det er en af ​​de mindste dampturbiner i verden.