首页 > 张慧敏 >新型小型固体氧化物燃料电池达到创纪录的效率
2018
03-25

新型小型固体氧化物燃料电池达到创纪录的效率


个别家庭和整个社区可以用一个新的,小型固体氧化物燃料电池系统供电,达到57%的效率,显着高于之前报道的其它固体氧化物燃料电池系统的效率的30%到50% ,根据本月刊“电源杂志”发表的一项研究。

太平洋西北国家实验室开发了这种高效率,小型固体氧化物燃料电池系统,其特点是PNNL开发的微通道技术和两个不寻常的过程,称为外部蒸汽重整和燃料回收。

能源部西北太平洋国家实验室开发的小型系统以天然气的主要组成部分甲烷为燃料。整个系统进行了精简,通过将PNNL开发的微通道技术与称为外部蒸汽重整和燃料回收的工艺相结合,使其更加高效和可扩展。 PNNL的系统包括在美国能源部固态能源转换联盟的支持下开发的燃料电池堆。

“固体氧化物燃料电池是提供清洁,高效能源的有前景的技术。但是,到目前为止,大多数人已经把重点放在产生1兆瓦或者更多功率的大型系统上,并且可以取代传统的发电厂“,PNNL公司固体氧化物燃料电池开发项目的论文和总工程师的合着者Vincent Sprenkle说。 。 “然而,这项研究表明,产生1到100千瓦电力的较小的固体氧化物燃料电池是高效,局部发电的可行选择。”Sprenkle和他的合着者考虑了社区规模的发电当他们开始在他们的固体氧化物燃料电池,也被称为SOFC的工作。他们建立的试点系统产生大约2千瓦的电力,或者一个典型的美国家庭消耗多少电力。 PNNL团队设计的系统可以扩大到100到250千瓦之间,为50到100个美国家庭提供电力。

什么是SOFC?

燃料电池很像电池,因为它们使用阳极,阴极和电解质来发电。但是,与大多数在使用其反应性物质时停止工作的电池不同,如果燃料电池具有恒定的燃料供应,燃料电池可以持续地发电。

固体氧化物燃料电池是一种在较高温度下工作的燃料电池 - 温度在华氏1100到1800度之间 - 可以在各种各样的燃料上运行,包括天然气,沼气,氢气和液体燃料,如柴油和汽油被改革和清理。每个SOFC由陶瓷材料制成,形成三层:阳极,阴极和电解质。空气被抽吸到外层即阴极。来自空气中的氧变成带负电的离子O2-,其中阴极和内电解质层相遇。离子移动通过电解质到达最后的层,阳极。在那里,氧离子与燃料发生反应。这个反应产生电力,以及副产品蒸汽和二氧化碳。电力可以用来为家庭,社区,城市等等提供动力。

燃料电池的巨大优势在于它比传统发电更有效率。例如,便携式发电机的内燃机仅将约18%的燃料化学能转化为电能。相比之下,一些SOFC可以实现高达60%的效率。提高效率意味着SOFC与传统发电(包括燃煤电厂)相比,燃料消耗较少,对发电量的污染较少。

Sprenkle和他的PNNL同事对较小的系统感兴趣,因为它们比较大的系统具有优势。大的系统产生的能量比在其邻近地区消耗的能量要多,所以很多电力都要通过传输线路发送到其他地方。不幸的是,在这个过程中失去了一些权力。另一方面,较小的系统在体积上体积较小,因此可以靠近电力用户。这意味着他们生产的电力 不必发送到目前为止。这使得较小的系统成为所谓的分布式发电的理想选择,或者以相对较小的量为诸如个人住宅或社区之类的当地使用发电。

目标:小型高效

PNNL团队了解小型固体氧化物燃料电池系统的优势,希望设计一个小型系统,其效率可以超过50%,并且可以轻松扩展到分布式发电系统。为此,该团队首先使用了一种称为外部蒸汽重整的过程。通常,蒸汽重整将蒸汽与燃料混合,导致二者发生反应并产生中间产物。中间体,一氧化碳和氢气,然后在燃料电池的阳极与氧气反应。正如之前所描述的,这个反应产生电力,以及副产品蒸汽和二氧化碳。

以前,蒸汽重整已经用于燃料电池,但是这种方法需要热量,当直接暴露于燃料电池时,会在陶瓷层上产生不均匀的温度,这可能会削弱和破坏燃料电池。因此PNNL团队选择了外部蒸汽重整,从而完成了蒸汽和燃料电池外部的燃料之间的初始反应。

外部蒸汽重整过程需要一种称为热交换器的装置,其中由金属等导电材料制成的壁分隔两种气体。在壁的一侧是作为燃料电池内部反应的副产品排出的热排气。另一方面是朝向燃料电池的较冷的气体。热量从热气中通过壁面进入冷却的进入气体,将其加热到在燃料电池内部发生反应所需的温度。

效率与微技术

这个小型固体氧化物燃料电池系统效率的关键是在系统的多个换热器中使用PNNL开发的微通道技术。 PNNL的微通道热交换器不是只有一个壁来分隔两种气体,而是由一系列比回形针窄的微小环形通道产生的多个壁。这增加了表面面积,允许更多的热量传递并使系统更有效率。 PNNL的微通道换热器的设计使得只需要很小的附加压力就可以将气体通过回路和转弯通道。

该系统的第二个独特的方面是它回收。具体而言,该系统使用来自阳极的由蒸汽和热副产物组成的排气来维持蒸汽重整过程。这种回收意味着系统不需要加热水来产生蒸汽的电子设备。再次使用与燃料混合的蒸汽,也意味着系统能够消耗燃料首次通过燃料电池时不能消耗的一些剩余燃料。

PNNL开发的微通道换热器的外部蒸汽重整和蒸汽再循环相结合,使该团队的小型SOFC系统非常高效。总之,这些特性帮助系统尽可能少地使用能量,并最终产生更多的净电力。实验室测试显示,该系统的净效率在2.2千瓦时为48.2%,在1.7千瓦时为56.6%。团队计算出他们可以提高系统的效率至60%,再进行一些调整。

PNNL团队希望将他们的研究转化为个体房主或公用事业公司使用的SOFC电力系统。

Sprenkle解释说:“要将总体成本降低到经济适用于分布式发电应用,仍然需要付出相当大的努力。 “但是,这个示范确实提供了一个很好的蓝图,如何建立一个系统,可以增加发电,同时减少碳排放量。”