Kỷ lục thiết lập pin nhiên liệu ôxít rắn quy mô nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho các vùng lân cận

Anonim

Kỷ lục thiết lập pin nhiên liệu ôxít rắn quy mô nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho các vùng lân cận

Môi trường

Darren nhanh

Ngày 1 tháng 6 năm 2012

2 hình

Hệ thống SOFC quy mô nhỏ, hiệu quả cao được phát triển tại PNNL có công nghệ vi kênh do PNNL phát triển và hai quy trình bất thường, được gọi là cải cách hơi nước bên ngoài và tái chế nhiên liệu

Một hệ thống pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC) mới, quy mô nhỏ được phát triển tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (DoE PNNL) của Bộ Năng lượng có thể được sử dụng để phát điện cho hộ gia đình và khu vực lân cận. Được thúc đẩy bởi khí mê-tan, hệ thống đạt được hiệu quả lên tới 57 phần trăm, cải thiện hiệu suất 30 đến 50 phần trăm được thấy trước đây trong các hệ thống SOFC có kích thước tương tự. Các nhà nghiên cứu PNNL cho biết hệ thống thí điểm mà họ đã xây dựng tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà trung bình của người Mỹ và có thể được mở rộng để cung cấp năng lượng cho 50 đến 250 ngôi nhà.

Pin nhiên liệu ôxít rắn

Giống như pin, pin nhiên liệu sử dụng cực dương, cực âm và chất điện phân để sản xuất điện. Nhưng không giống như hầu hết các loại pin, pin nhiên liệu có thể liên tục sản xuất điện nếu được cung cấp nguồn nhiên liệu liên tục. Pin nhiên liệu được đặc trưng bởi vật liệu điện phân của chúng, trong trường hợp SOFC là một oxit rắn hoặc gốm. Vật liệu gốm cũng tạo thành cực dương và cực âm, cùng với chất điện phân, tạo thành ba lớp.

Không khí được bơm lên cực âm, tạo thành lớp ngoài cùng, với oxy từ không khí trở thành một ion tích điện âm nơi cực âm và lớp điện phân bên trong gặp nhau. Sau đó, ion oxy tích điện âm di chuyển qua chất điện phân để đến lớp cực dương cuối cùng, nơi nó phản ứng với nhiên liệu để tạo ra điện, cũng như các sản phẩm phụ hơi nước và carbon dioxide. Các SOFC có thể chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm khí tự nhiên, khí sinh học, hydro, nhưng nhóm PNNL đã chọn khí mê-tan - thành phần chính của khí tự nhiên - để làm nhiên liệu cho SOFC mới.

Bởi vì chúng hiệu quả hơn các phương pháp sản xuất điện khác, bao gồm các nhà máy điện than, SOFC tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và tạo ra ít ô nhiễm hơn để tạo ra cùng một lượng điện. Các SOFC quy mô nhỏ cũng có lợi thế là có thể được đặt gần hơn với nơi tiêu thụ điện được tạo ra, giảm lượng điện năng bị mất khi gửi qua đường truyền.

"Các tế bào nhiên liệu ôxít rắn là một công nghệ đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng sạch, hiệu quả. Nhưng, cho đến nay, hầu hết mọi người tập trung vào các hệ thống lớn hơn sản xuất 1 megawatt năng lượng trở lên và có thể thay thế các nhà máy điện truyền thống", Vincent Sprenkle nói. kỹ sư trưởng của chương trình phát triển pin nhiên liệu ôxít rắn của PNNL. "Tuy nhiên, nghiên cứu này cho thấy các pin nhiên liệu ôxít rắn nhỏ hơn tạo ra từ 1 đến 100 kilowatt năng lượng là một lựa chọn khả thi để tạo ra năng lượng cục bộ, hiệu quả cao. "

Với mục đích thiết kế một hệ thống nhỏ hiệu quả hơn 50% và cũng có thể được nhân rộng để sản xuất điện cho các khu vực lân cận, nhóm PNNL đã kết hợp cải cách hơi nước bên ngoài và tái chế nhiên liệu với công nghệ vi kênh.

Hơi nước

Cải cách hơi nước liên quan đến việc trộn hơi nước với nhiên liệu để chúng phản ứng tạo ra carbon monoxide và hydro, từ đó phản ứng với oxy ở cực dương của pin nhiên liệu. Do quá trình này đòi hỏi nhiệt có thể gây ra nhiệt độ không đồng đều trên các lớp gốm và dẫn đến suy yếu và phá vỡ pin nhiên liệu, nhóm PNNL đã sử dụng bộ trao đổi nhiệt để cho phép các phản ứng ban đầu giữa hơi nước và nhiên liệu được hoàn thành bên ngoài pin nhiên liệu trong những gì được gọi là cải cách hơi nước bên ngoài.

Bộ trao đổi nhiệt bao gồm một bức tường làm bằng vật liệu dẫn điện ngăn cách hai khí. Khí thải nóng được thải ra như một sản phẩm phụ của phản ứng bên trong pin nhiên liệu được đặt ở một bên, trong khi khí lạnh hướng về phía pin nhiên liệu nằm ở phía bên kia. Nhiệt từ khí nóng di chuyển qua tường để làm ấm khí đi đến nhiệt độ cần thiết cho phản ứng diễn ra bên trong pin nhiên liệu.

Bộ trao đổi nhiệt vi mạch

Nhưng thay vì chỉ có một bức tường ngăn cách hai khí, các nhà nghiên cứu PNNL đã tạo ra nhiều bức tường bằng cách sử dụng một loạt các kênh vòng lặp nhỏ, hẹp hơn một cái kẹp giấy. Các bộ trao đổi nhiệt vi mạch này làm tăng diện tích bề mặt để cho phép truyền nhiệt nhiều hơn, do đó làm tăng hiệu quả của hệ thống. Bộ trao đổi nhiệt vi kênh cũng được thiết kế để khí di chuyển qua các kênh vòng với rất ít áp suất bổ sung.

Tái chế hơi nước

Hệ thống PNNL cũng tái chế khí thải từ cực dương, bao gồm các sản phẩm phụ hơi nước và nhiệt, để duy trì quá trình cải cách hơi nước. Việc tái chế này không chỉ phủ nhận sự cần thiết của một thiết bị điện để làm nóng nước và tạo hơi nước, điều đó cũng có nghĩa là hệ thống này có thể sử dụng một số nhiên liệu còn sót lại không được tiêu thụ lần đầu tiên.

Sự kết hợp giữa cải cách hơi nước bên ngoài và tái chế hơi nước và sử dụng các bộ trao đổi nhiệt vi kênh cho phép hệ thống sử dụng ít năng lượng nhất có thể với kết quả cuối cùng là sản xuất điện ròng nhiều hơn. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu cho biết hiệu suất ròng dao động từ 48, 2% ở mức 2, 2 kW, lên tới 56, 6% ở mức 1, 7 kW. Với một vài điều chỉnh nữa, nhóm nghiên cứu tin rằng họ có thể nâng hiệu quả của hệ thống lên 60%.

Với nhà trung bình của người Mỹ tiêu thụ khoảng 2 kW hoặc điện, hệ thống thí điểm có thể được sử dụng để phát điện hộ gia đình. Tuy nhiên, họ cũng thiết kế nó để nó có thể được thu nhỏ để sản xuất từ ​​100 đến 150 kW, có thể cung cấp đủ điện để cung cấp năng lượng cho 50 đến 100 ngôi nhà. Nhóm PNNL hy vọng sẽ thấy nghiên cứu của họ chuyển thành một hệ thống như vậy có thể được sử dụng bởi các hộ gia đình hoặc các tiện ích.

SOFC quy mô nhỏ của nhóm PNNL được trình bày chi tiết trong một bài báo được công bố trên Tạp chí Nguồn điện .

Nguồn: PNNL

Hệ thống SOFC quy mô nhỏ, hiệu quả cao được phát triển tại PNNL có công nghệ vi kênh do PNNL phát triển và hai quy trình bất thường, được gọi là cải cách hơi nước bên ngoài và tái chế nhiên liệu

Microchannels hẹp hơn so với kẹp giấy được khắc trên shim trao đổi nhiệt, đã bị xóa trong ảnh này cho mục đích minh họa