Записът за настройка на малокалибните горивни клетки от твърди оксиди може да захранва кварталите

Anonim

Записът за настройка на малокалибните горивни клетки от твърди оксиди може да захранва кварталите

Заобикаляща среда

Дарън Бърк

1 юни 2012 г.

2 снимки

Високоефективната, малка SOFC система, разработена в PNNL, е снабдена с технология с микроканал, разработена от PNNL, и два необичайни процеси, наречени външна реформа на парата и рециклиране на гориво

Нова, малогабаритна система за твърди оксидни горивни клетки (SOFC), разработена в Националната лаборатория на Северозападната национална лаборатория (DoE PNNL) на Министерството на енергетиката, може да бъде използвана за производство на електроенергия за дома и квартала. Подхранван с метан, системата постига ефективност до 57%, подобрявайки ефективността от 30 до 50%, наблюдавана по-рано в SOFC системи с подобен размер. Изследователите на PNNL казват, че пилотната система, която те са построили, генерира достатъчно електричество, за да захрани средния американски дом и може да бъде увеличена, за да осигури енергия за 50 до 250 жилища.

Твърди оксидни горивни клетки

Подобно на батериите, горивните клетки използват аноди, катоди и електролити за производство на електроенергия. Но за разлика от повечето батерии, горивните клетки могат непрекъснато да произвеждат електричество, ако са с постоянно подаване на гориво. Горивните клетки се характеризират с техния електролитен материал, който в случая на SOFC е твърд оксид или керамика. Керамичните материали също образуват анода и катода, които заедно с електролита образуват три слоя.

Въздухът се изпомпва срещу катода, който образува външния слой, като кислородът от въздуха се превръща в отрицателно зареден йон, където се срещат катодът и вътрешният електролитен слой. След това отрицателно зареденият кислороден йон се премества през електролита, за да достигне крайния аноден слой, където той реагира с гориво за създаване на електричество, както и странични продукти от пара и въглероден двуокис. SOFC могат да работят с различни горива, включително природен газ, биогаз, водород, но екипът на PNNL избра метан - основният компонент на природния газ - да зарежда новия си SOFC.

Тъй като те са по-ефективни от другите методи за производство на електроенергия, включително въглищни електроцентрали, SOFC консумират по-малко гориво и създават по-малко замърсяване, за да генерират същото количество електроенергия. Дребните SOFC също така имат предимството, че могат да бъдат разположени по-близо до мястото, където се генерира произведената електроенергия, намалявайки количеството енергия, което се губи, когато се изпраща през преносни линии.

"Досега повечето хора са се съсредоточили върху по-големи системи, които произвеждат 1 мегават мощност или повече и могат да заменят традиционните електроцентрали", каза Винсънт Спрейнли, главен инженер на програмата за разработване на твърди оксидни горивни клетки на PNNL. "Това изследване обаче показва, че по-малки горивни клетки от твърди оксиди, които генерират между 1 и 100 киловата мощност, са жизнеспособна възможност за високоефективно локализирано производство на електроенергия.

С цел да се проектира малка система, която е повече от 50% ефективна и може да бъде увеличена, за да произвежда електроенергия за кварталите, екипът на PNNL съчетава външна реформа на парата и рециклиране на гориво с микроканална технология.

Реформиране с пара

Реформирането с пара включва смесване на пара с горивото, така че те да реагират, за да създадат въглероден окис и водород, което на свой ред реагира с кислорода в анода на горивната клетка. Тъй като този процес изисква топлина, която може да причини неравномерни температури върху керамичните слоеве и да доведе до отслабване и счупване на горивната клетка, екипът на PNNL използва топлообменник, за да позволи първоначалните реакции между пара и гориво да бъдат завършени извън горивната клетка в това, което е известно като външно реформиране на пара.

Топлообменът се състои от стена, изработена от проводим материал, който разделя двата газове. Горещите отработили газове, които се изхвърлят като страничен продукт на реакцията вътре в горивната клетка, се намират от едната страна, докато от другата се намира охладител, който се насочва към горивната клетка. Топлината от горещия газ се движи през стената, за да се затопли входящият газ до температурите, необходими за реакцията да се осъществи вътре в горивната клетка.

Микроканални топлообменници

Но вместо да има само една стена, разделяща двата газове, изследователите на PNNL създават множество стени, използвайки серия от тънки канали, които са по-тесни от конектора. Тези микроканални топлообменници увеличават площта, за да позволят по-голяма топлина да се прехвърлят, като по този начин се повишава ефективността на системата. Микроканаловият топлообменник също е проектиран така, че газът да се движи през каналите за навиване с много малко допълнително налягане.

Рециклиране на пара

Системата PNNL също рециклира ауспусите, идващи от анода, състоящи се от пара и топлинни странични продукти, за поддържане на процеса на реформиране на пара. Не само, че това рециклиране отрича необходимостта от електрическо устройство за загряване на вода и създаване на пара, то също така означава, че системата може да използва известно количество остатъчно гориво, което не е било консумирано за пръв път.

Комбинацията от външно реформиране на пара и рециклиране на пара и използване на микроканални топлообменници позволяват на системата да използва възможно най-малко енергия, като крайният резултат е по-нетното производство на електроенергия. В лабораторните тестове екипът каже нетна ефективност, варираща от 48, 2% при 2, 2 kW до 56, 6% при 1, 7 kW. С още няколко корекции екипът вярва, че може да повиши ефективността на системата до 60%.

При средния американски дом, който консумира приблизително 2 кВт или електричество, пилотната система може да се използва за производство на електроенергия в домакинствата. Въпреки това те също така го проектират, така че да могат да бъдат увеличени, за да произвеждат между 100 и 150 kW, които биха могли да осигурят достатъчно електричество за захранване на 50 до 100 жилища. Екипът на PNNL се надява, че изследванията им ще се превърнат в такава система, която може да бъде използвана от отделни домакинства или комунални услуги.

Екипът на PNNL за малък мащаб SOFC е подробно описан в доклад, публикуван в списание Journal of Power Sources .

Източник: PNNL

Високоефективната, малка SOFC система, разработена в PNNL, е снабдена с технология с микроканал, разработена от PNNL, и два необичайни процеси, наречени външна реформа на парата и рециклиране на гориво

Микроканали, които са по-тесни от хартиената скоба, са гравирани върху подложката на топлообменника, която е отстранена в тази снимка за илюстративни цели