Vaste oxide brandstofcellen, of SOFC's, zijn apparaten die zowel elektriciteit als warmte produceren door een brandstof zoals aardgas of biogas te oxideren. Deze energiezuinige, emissievrije technologie heeft het potentieel om te voldoen aan huishoudelijke en commerciële energie, verwarming en warm water nodig.

Hoewel de opname hoog is in landen als Japan, SOFC's moeten nog aanslaan in Europa, niet in de laatste plaats omdat de hoge productiekosten een belemmering vormen voor het op grote schaal vervaardigen van de cellen. Maar nieuw onderzoek door een team van EPFL kan een game changer blijken te zijn.

Ingenieurs van het Laboratorium voor Toegepast Mechanisch Ontwerp (LAMD), gevestigd in Microcity in Neuchâtel, een nieuwe manier hebben bedacht om de efficiëntie van binnenlandse SOFC's te verbeteren, d.w.z. cellen met een vermogen van 6 kWe (kilowatt-elektrisch). De door stoomturbine aangedreven ventilator, die gassen door het systeem recirculeert, verhoogt ook de levensduur van de cel. Bij dit samenwerkingsproject waren drie partners betrokken:het LAMD, de Group of Energy Materials (GEM) gevestigd op de EPFL Wallis Wallis-campus in Sion en geleid door Jan Van Herle, en SOLIDpower SA, een privébedrijf gevestigd in Yverdon-les-Bains. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Energy.

Gasrecirculatie

De onderzoekers bereikten deze efficiëntie- en levensduurwinst met behulp van een nieuw systeem dat een anode-off-gasrecirculatieventilator wordt genoemd. Onder normale omstandigheden, SOFC's zetten slechts ongeveer 80-85% van de inputbrandstof om, die maar één keer door de cel gaat. Door de uitlaat op de inlaat aan te sluiten, het team was in staat om de gassen een tweede keer door de cel te recirculeren. Omdat SOFC's werken bij temperaturen van meer dan 600°C, "de recirculatieventilator verhoogt de druk van de uitlaatgassen, het op een niveau brengen dat verenigbaar is met de druk in de cel, " zegt Patrick Wagner, hoofdauteur van de krant.

Met het nieuwe systeem, het team constateerde indrukwekkende efficiëntiewinsten van maar liefst 10%. "Toen we de ventilator koppelden aan een brandstofcel voor huishoudelijk gebruik die op deellast draait, of 4,5 kWe, we behaalden een bruto-efficiëntie van 66%, " zegt Jürg Schiffmann, die aan het hoofd staat van de LAMD. Ter vergelijking, de meest geavanceerde energiecentrales halen een rendement van 63% zonder winbare warmte te genereren. Bovendien, deze centrales werken met capaciteitsbereiken in de honderden megawatt-elektrische, of MWe. In Zwitserland, ongeveer 6% van die energie gaat verloren tussen teruglevering en afname.

Naast het verbeteren van de efficiëntie, het ventilatorsysteem verlengt ook de levensduur van de cel omdat het gerecirculeerde gasmengsel de stabiliteit van de katalysator verhoogt.

Slijtvast en zelfvoorzienend

Gasrecirculatie is op zich misschien geen nieuw concept, maar het ontwerp van het team markeert een duidelijke breuk met eerdere systemen. De ventilator is uitgerust met stoomgesmeerde lagers ontwikkeld door het LAMD en wordt aangedreven door een miniatuur stoomturbine die draait op de warmte die door de cel wordt geproduceerd.

De onderzoekers kozen voor stoomgesmeerde lagers om het risico op besmetting te voorkomen. "SOFC's, zoals bijna alle katalysatoren, zijn uiterst delicaat, ", zegt Wagner. "Als er olie of een ander smeermiddel naar binnen komt, het kan echte problemen veroorzaken. Stoomgesmeerde lagers zijn mechanische onderdelen die geen olie nodig hebben. Het roterende 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, geen van de onderdelen komt met elkaar in contact, wat betekent dat ze niet dragen.

Het team gebruikte een stoomturbine omdat SOFC-uitlaatgassen waterstof en andere potentieel explosieve verbindingen in de resterende brandstof bevatten. "Onze recirculatieventilator is uitsluitend gemaakt van 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-Watt-turbine is bij uitstek geschikt voor SOFC's voor huishoudelijk gebruik. Met een diameter van slechts 15 mm, het is een van de kleinste stoomturbines ter wereld.