Nahrávání nastavení malých palivových článků z pevných oxidů by mohlo napájet čtvrti

Anonim

Nahrávání nastavení malých palivových článků z pevných oxidů by mohlo napájet čtvrti

životní prostředí

Darren Quick

1. června 2012

2 obrázky

Vysoce účinný, malý systém SOFC vyvinutý na PNNL je vybaven mikroprocesorovou technologií vyvinutou technologií PNNL a dvěma neobvyklými procesy, nazývanými externí reformování páry a recyklace paliva

Nový systém malých palivových článků na bázi pevných oxidů (SOFC), vyvinutý v Národním laboratoři Pacific Northwest (Department of Energy), by mohl být využit pro výrobu elektrické energie pro domácnosti a okolí. Systém poháněný metanem dosahuje účinnosti až 57 procent, čímž se zlepšuje efektivita 30 až 50 procent, která byla dříve pozorována v systémech SOFC podobné velikosti. Vědci z PNNL říkají, že pilotní systém, který vybudovali, vytváří dostatečnou elektrickou energii pro napájení průměrného amerického domu a může být zvětšen, aby poskytl energii pro 50 až 250 domácností.

Pevné oxidové palivové články

Stejně jako baterie, palivové články používají pro výrobu elektřiny anody, katody a elektrolyty. Ale na rozdíl od většiny baterií mohou palivové články nepřetržitě vyrábět elektřinu, pokud jsou vybaveny konstantním přívodem paliva. Palivové články jsou charakterizovány elektrolytickým materiálem, který je v případě SOFC pevným oxidem nebo keramikou. Keramické materiály také tvoří anodu a katodu, které spolu s elektrolytem tvoří tři vrstvy.

Vzduch je čerpán proti katodě, která tvoří vnější vrstvu, přičemž kyslík ze vzduchu se stává záporně nabitým iontem, kde se setkává katoda a vnitřní vrstva elektrolytu. Záporně nabitý kyslíkový ion se pak pohybuje elektrolytem tak, aby se dostal do konečné anodové vrstvy, kde reaguje s palivem, které vytváří elektřinu, stejně jako vedlejší produkty páry a oxidu uhličitého. SOFC mohou pracovat s různými palivy, včetně zemního plynu, bioplynu, vodíku, ale tým PNNL si vybral metan - primární složku zemního plynu - na palivo svého nového SOFC.

Jelikož jsou efektivnější než jiné metody výroby elektřiny, včetně uhelných elektráren, SOFC spotřebovávají méně paliva a vytvářejí méně znečištění, aby generovaly stejné množství elektrické energie. Drobné SOFC mají také tu výhodu, že mohou být umístěny blíže k místu, kde je spotřebovaná elektrická energie, čímž se snižuje množství energie, která je ztracena při odesílání přes přenosové vedení.

"Paliva z pevných oxidů jsou slibnou technologií pro poskytování čisté a efektivní energie. Ale většina lidí se až dosud soustředila na větší systémy, které produkují 1 megawatt energie nebo více a mohou nahradit tradiční elektrárny, " řekl Vincent Sprenkle, hlavní inženýr programu PNNL pro vývoj pevných oxidových palivových článků. "Tento výzkum však ukazuje, že menší palivové články na bázi pevných oxidů, které generují 1 až 100 kilowattů energie, jsou životaschopnou volbou pro vysoce efektivní lokalizovanou výrobu elektřiny."

S cílem navrhnout malý systém, který byl více než 50 procent efektivní a mohl by být také rozšiřován pro výrobu elektřiny pro sousedství, tým PNNL kombinoval externí reformování par a recyklaci paliva pomocí mikrokanálové technologie.

Reformování páry

Parní reformování zahrnuje smíchání páry s palivem tak, aby reagovaly na tvorbu oxidu uhelnatého a vodíku, které naopak reagují s kyslíkem v anodě palivových článků. Vzhledem k tomu, že tento proces vyžaduje teplo, které může způsobit nerovnoměrné teploty na keramických vrstvách a vedlo k oslabení a rozbití palivového článku, tým PNNL použil výměník tepla pro umožnění dokončení počátečních reakcí mezi párou a palivem mimo palivový článek ve vnějším parním reformingu.

Výměníky tepla se skládají ze stěny vyrobené z vodivého materiálu, který odděluje tyto dva plyny. Horký výfukový plyn, který je vyloučen jako vedlejší produkt reakce uvnitř palivového článku, je umístěn na jedné straně, zatímco chladič, který směřuje směrem k palivovému článku, je umístěn na druhé straně. Teplo z horkého plynu se pohybuje stěnou, aby se přívodní plyn zahřeval na teploty potřebné pro to, aby reakce proběhla uvnitř palivového článku.

Mikrokanálové výměníky tepla

Ale místo toho, aby měli jen jednu stěnu oddělující tyto dva plyny, vědci PNNL vytvořili více stěn pomocí série drobných smyčkových kanálů, které jsou užší než kancelářské sponky. Tyto mikrokanálové výměníky tepla zvyšují plochu, aby bylo možné přenášet více tepla, čímž se zvýší účinnost systému. Mikrokanálový výměník tepla byl také navržen tak, aby se plyn pohyboval skrz smyčkové kanály s velmi malým přídavným tlakem.

Recyklace páry

Systém PNNL také recykluje výfukové plyny přicházející z anody, sestávající z páry a tepelných vedlejších produktů, aby se zachoval proces parní reformy. Nejen, že tato recyklace odmítá potřebu elektrického zařízení k ohřevu vody a vytváření páry, ale také znamená, že systém je schopen využít některé zbývající palivo, které nebylo poprvé spotřebováno.

Kombinace externího reformování parou a recyklace páry a použití mikrokanálových výměníků tepla umožňují systému používat co nejméně energie s konečným výsledkem větší čisté výroby elektrické energie. Při laboratorních testech se v týmu uvádí čistá účinnost v rozmezí od 48, 2% při výkonu 2, 2 kW až po 56, 6% při výkonu 1, 7 kW. S několika dalšími úpravami se tým domnívá, že mohou zvýšit účinnost systému na 60 procent.

Při průměrném americkém domě, který spotřebovává zhruba 2 kW nebo elektřinu, by pilotní systém mohl být využit pro výrobu elektrické energie pro domácnosti. Navrhovaly je však také proto, aby mohly být vyráběny v rozmezí od 100 do 150 kW, což by mohlo poskytnout dostatek elektrické energie pro napájení 50 až 100 domácností. Tým PNNL doufá, že se jejich výzkum stane takovým systémem, který by mohli využívat jednotlivé domácnosti nebo nástroje.

Tým malého rozsahu SOFC týmu PNNL je podrobně popsán v článku publikovaném v časopise Journal of Power Sources .

Zdroj: PNNL

Vysoce účinný, malý systém SOFC vyvinutý na PNNL je vybaven mikroprocesorovou technologií vyvinutou technologií PNNL a dvěma neobvyklými procesy, nazývanými externí reformování páry a recyklace paliva

Mikrokanály, které jsou užší než kancelářská spona, jsou vyleptány na podložku výměníku tepla, která byla pro tuto ilustraci odstraněna.