bränsleceller med fast oxid, eller SOFC, är apparater som producerar både el och värme genom att oxidera ett bränsle som naturgas eller biogas. Denna energieffektiva, nollutsläppsteknik har potential att möta inhemsk och kommersiell kraft, värme- och varmvattenbehov.

Även om upptaget är högt i länder som Japan, SOFC:er har ännu inte kommit ikapp i Europa, inte minst för att höga produktionskostnader utgör ett hinder för att tillverka cellerna i stor skala. Men ny forskning av ett team på EPFL kan visa sig vara en spelförändring.

Ingenjörer vid Laboratory for Applied Mechanical Design (LAMD), baserad på Microcity i Neuchâtel, har utarbetat ett nytt sätt att förbättra effektiviteten hos inhemska SOFC, dvs celler klassade till 6 kWe (kilowatt-elektriska). Den ångturbindrivna fläkten, som återcirkulerar gaser genom systemet, ökar också cellernas livslängd. Detta samarbetsprojekt involverade tre partners:LAMD, Group of Energy Materials (GEM) baserad på EPFL Valais Wallis campus i Sion och leds av Jan Van Herle, och SOLIDpower SA, ett privat företag beläget i Yverdon-les-Bains. En artikel som beskriver forskningen har publicerats i tidskriften Applied Energy.

Gasåterföring

Forskarna uppnådde dessa effektivitets- och livslängdsvinster genom att använda ett nytt system som kallas en anodavgasåterföringsfläkt. Under normala förhållanden, SOFC omvandlar endast cirka 80–85 % av ingående bränsle, som bara passerar cellen en gång. Genom att ansluta uttaget till inloppet, teamet kunde återcirkulera gaserna genom cellen en andra gång. Eftersom SOFC arbetar vid temperaturer över 600°C, "recirkulationsfläkten höjer trycket på utloppsgaserna, föra den till en nivå som är kompatibel med trycket inuti cellen, säger Patrick Wagner, tidningens huvudförfattare.

Med det nya systemet, teamet observerade imponerande effektivitetsvinster på så mycket som 10 %. "När vi kopplade fläkten till en hushållsklassad bränslecell som körde med dellast, eller 4,5 kWe, vi uppnådde en bruttoeffektivitet på 66 %, säger Jürg Schiffmann, som leder LAMD. Som jämförelse, de mest avancerade kraftverken uppnår en verkningsgrad på 63 % utan att generera återvinningsbar värme. Dessutom, dessa anläggningar arbetar med kapacitetsintervall på hundratals megawatt-elektriska, eller MWe. I Schweiz, cirka 6 % av den energin går förlorad mellan inmatning av nätet och uttag.

Förutom att förbättra effektiviteten, fläktsystemet förlänger också cellens livslängd eftersom den recirkulerade gasblandningen ökar katalysatorns stabilitet.

Slitstark och självförsörjande

Gasåterföring är kanske inte ett nytt koncept i sig, men teamets design markerar ett rent brott med tidigare system. Fläkten är utrustad med ångsmorda lager utvecklade vid LAMD och drivs av en miniatyrångturbin som går på värmen som produceras av cellen.

Forskarna valde ångsmorda lager för att undvika risken för kontaminering. "SOFCs, som nästan alla katalytiska enheter, är extremt känsliga, " säger Wagner. "Om olja eller annat smörjmedel hittar in, det kan orsaka verkliga problem. Ångsmorda lager är mekaniska delar som inte kräver någon olja. Den roterande delen av systemet sitter på en luftkudde som genereras av axeln - en annan del av systemet - när den snurrar." Denna design har en annan fördel:annat än under uppstart och avstängning, ingen av delarna kommer i kontakt med varandra, vilket betyder att de inte bär.

Teamet använde en ångturbin eftersom SOFC-utloppsgaser innehåller väte och andra potentiellt explosiva föreningar i restbränslet. "Vår recirkulationsfläkt är enbart gjord av mekaniska delar, så det utgör absolut ingen säkerhetsrisk, ", tillägger Wagner. "Det skulle inte ha varit fallet om vi hade använt en elmotor." 34-wattsturbinen är idealisk för inhemskt klassade SOFC:er. Den mäter bara 15 mm i diameter, det är en av de minsta ångturbinerna i världen.