‘Kleinste stoommachine ter wereld’ vergroot efficiëntie brandstofcel

Geplaatst op 02 maart 2020 om 13:42 uur
‘Kleinste stoommachine ter wereld’ vergroot  efficiëntie brandstofcel
Onderzoekers van EPFL hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de efficiëntie en levensduur van brandstofcellen te verhogen. Ze gebruiken een recirculatieventilator aangedreven door een stoomturbine die op met stoom gesmeerde lagers draait.

Het onderzoek is verschenen in Science.

 

Vaste-oxidebrandstofcellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC's) produceren zowel elektriciteit als warmte door een brandstof te oxideren. De technologie is energiezuinig en emissieloos, maar de productie van de cellen is nog duur.

 

Ingenieurs hebben nu een nieuwe manier bedacht om de efficiëntie te verbeteren van SOFC's met een vermogen van 6 kWe. De stoomturbine-aangedreven ventilator, die gassen door het systeem recirculeert, verlengt ook hun levensduur.

 

De onderzoekers gebruikten een anode gasloze recirculatieventilator. Onder normale omstandigheden zetten SOFC's ongeveer 85% van de ingevoerde brandstof om. Door de uitlaat op de inlaat aan te sluiten, kon het team de gassen een tweede keer door de cel laten circuleren. "Doordat de cellen werken bij temperaturen boven 600° C, verhoogt de recirculatieventilator de druk van de uitlaatgassen en brengt deze op een niveau dat compatibel is met de druk in de cel", zegt hoofdauteur Patrick Wagner.

Dit verbeterde de efficiëntie tot 10%. "Toen we de ventilator koppelden aan een huishoudelijke brandstofcel die op 4,5 kWe draait, bereikten we een bruto efficiëntie van 66%", zegt collega Jürg Schiffmann. "Ter vergelijking: de meest geavanceerde energiecentrales behalen een efficiëntie van 63% zonder herwinbare warmte te genereren. Bovendien werken deze fabrieken op vermogensbereiken van honderden MWe. In Zwitserland gaat ongeveer 6% van die energie verloren met de voeding en onttrekking van het net.

 

Het ventilatorsysteem verlengt de levensduur van de cel omdat het gerecirculeerde gasmengsel de stabiliteit van de katalysator verhoogt.

 

stoomDe as met stoomgesmeerde lagers


Gasrecirculatie is op zich geen nieuw concept op zich, maar het ontwerp van het team wel. De ventilator is uitgerust met zelfontwikkelde stoomgesmeerde lagers en wordt aangedreven door een miniatuurstoomturbine die werkt op de warmte die door de cel wordt geproduceerd.

 

De onderzoekers kozen voor met stoom gesmeerde lagers om het risico op besmetting te voorkomen. "SOFC's zijn uiterst delicaat", zegt Wagner. "Als olie of een ander smeermiddel zijn weg naar binnen vindt, kan dit serieuse problemen veroorzaken. Stoomgesmeerde lagers zijn mechanische onderdelen die geen olie nodig hebben. Het draaiende deel van het systeem zit op een luchtkussen dat wordt gegenereerd door de as - een ander deel van het systeem - terwijl het draait. Dit ontwerp heeft nog een ander voordeel: behalve tijdens het opstarten en afsluiten komen geen van de onderdelen met elkaar in contact, wat betekent dat ze niet slijten."

 

Het team gebruikte een stoomturbine omdat SOFC-uitlaatgassen waterstof en andere potentieel explosieve verbindingen in de resterende brandstof bevatten. "Onze recirculatieventilator bestaat uitsluitend uit mechanische onderdelen, dus het vormt absoluut geen veiligheidsrisico," voegt Wagner toe. "Dat zou niet het geval zijn geweest als we een elektromotor hadden gebruikt." De 34-watturbine is bij uitstek geschikt voor binnenlandse SOFC's. Met een diameter van slechts 15 mm is het een van de kleinste stoomturbines ter wereld.

 

Er is een patentaanvraag ingediend voor het nieuwe systeem en Wagner heeft een startup opgericht, OTurb, om de technologie te ontwikkelen en op de markt te brengen.

 
© Engineersonline.nl