Vysokoteplotní palivové články, vhodná paliva a možnosti jejich využití (III)

5. Moderní systémy s vysokoteplotními palivovými články

Výstupní napětí na souboru (baterii) palivových článků se významně mění podle proudové zátěže, složení palivových plynů, teploty a tlaku. Aby se dosáhlo konstantního stejnosměrného napětí, musí se získané primární napětí regulovat pomocí tzv. DC/DC regulátorů. K připojení na střídavé napětí je nutné pomocí invertorů (DC/DA invertory) změnit stejnosměrné napětí na střídavé napětí a toto pak dále transformovat.

Vysoko-potenciálního "odpadního" tepla plynů odcházejících z vysokoteplotních palivových článků se dá využít poměrně jednoduše např. k reformování plynného uhlovodíkového či jiného paliva, ke zplyňování uhlí či biomasy a k přímým i nepřímým ohřevům pomocí nejrůznějších výměníků tepla. Podle obsahu spalitelných složek (zvláště CO a CH₄) ve výstupních plynech z vysokoteplotních palivových článků, který nemusí být malý, se dokonce dá teplota těchto "odpadních" plynů po spálení ještě zvýšit.

U systémů pracujících za tlaků blízkých atmosférickému tlaku je toto teplo možné využít v parním kotli a použít ke generaci páry, pohonu parní turbíny a výrobě další elektrické energie. Odpadního nízko-potenciálního tepla lze samozřejmě použít k různým ohřevům a topením. Integrace souborů vysokoteplotních palivových článků a využití jejich odpadního tepla jsou velmi důležité k dosažení celkové vysoké účinnosti.

5.1 Systémy s využitím energie spalin pomocí parní anebo plynové turbíny

Tepla plynů produkovaných vysokoteplotními články a chemické energie (spalného tepla) nespotřebovaného paliva ze článků lze poměrně jednoduše využít v parním kotli k výrobě páry ^36,42 a pohonu parní turbíny. U palivových článků hlavně typu SOFC, které mohou bez neřešitelných technických problémů pracovat za zvýšeného tlaku, je možné využít energie horkých stlačených plynných produktů ^41-44 z SOFC k expanzi v plynové turbíně a eventuálně (podle teploty plynů na výstupu z plynové turbíny) také dále v parním kotli s návaznou parní turbínou. Vyšší provozní tlak vede obecně k vyššímu pracovnímu napětí (asi o 10 - 25 %) při stejné proudové hustotě v elektrickém obvodu s vysokoteplotními palivovými články ^1,41. Schéma hybridního energetického zařízení se souborem palivových článků typu SOFC, plynovou a parní turbínou je na obr. 8. Vypočítané a z části prakticky ověřené parametry hybridních energetických zařízení typu kombinace souborů SOFC s plynovou (spalovací turbínou) o celkovém elektrickém výkonu 3 MW_el a 10 MW_el jsou uvedeny v Tabulce V. Hybridní jednotky tohoto typu jsou schopny přeměňovat 60 - 70 % energie paliva (vyjádřené jako výhřevnost) na elektrickou energii.

Obr. 8: Schéma hybridního systému ^1,43 s vysokoteplotními palivovými články
a využitím tepelné energie odpadních plynů v plynové turbíně a parním kotli.

5.2 Systémy kogenerační (teplo a elektrická energie)

Vysokoteplotní palivové články (VPČ) mají výhodu ve vysoko-potenciálním teplu spalin (produktů). Systémy s vysokoteplotními palivovými články jsou obecně vhodné ke kogeneraci elektrické energie a středně či vysoko-potenciálního tepla. Nicméně i různé decentralizované kogenerační systémy se dají vhodně postavit "na míru" zákazníka ^36,42. Zavádění efektivních menších jednotek vyrábějících pro místní potřeby elektrickou energii a teplo povede pravděpodobně k větší decentralizaci zásobování elektrickou energií a teplem v budoucnosti.

6. Závěr

Vysokoteplotní palivové články, technologie jejich výroby a jejich využití je v současné době velmi rychle se vyvíjející obor, který přináší mnohé nové poznatky a zároveň podněty a výzvy k lepšímu řešení mnohých problémů současných vysokoteplotních palivových článků. Dnešní vysokoteplotní palivové články dvou typů (MCFC a SOFC) jsou schopné pracovat za teplot 600 až 1000 °C. Současnou snahou u článků s pevných elektrolytem typu SOFC je snižování běžné provozní teploty (800 - 900 °C) na teplotní úroveň 600 - 750 °C pomocí nových materiálů, tenčích vrstev elektrolytů a lepších kontaktů, elektrických a reakčních vlastností elektrod.

Hlavním palivem pro VPČ je doposud směs vodíku a CO vyrobená parním reformováním zemního plyn, případně čistého metanolu. Využití vyčištěných plynů ze zplyňování uhlí a biomasy začíná však již také nabývat na významu. Stupeň využití plynného paliva ve vysokoteplotních palivových článcích se obvykle pohybuje mezi 70 až 90 %, podle typu paliva, typu VPČ a celkových podmínek provozu. Hlavním problémem ve využití různých plynných paliv nebo přeměny tuhých paliv jsou relativně vysoké požadavky na čistotu plynů a požadavky na levné a účinné způsoby čištění těchto plynů (hlavně odstraňování síry, dehtu, sazí, uhlovodíků a amoniaku).

V oblasti dalšího vývoje článků hlavně typu SOFC se předpokládá vývoj a praktické aplikace článků s protonickou vodivostí elektrolytu, snižování provozní teploty, zvyšování odolnosti vůči nečistotám v palivu, další zvyšování dlouhodobější spolehlivosti a samozřejmě také lepší konstrukce a menší vnitřní ztráty článků. Tyto oblasti vývoje VPČ jsou motorem jak pro vývoj nových materiálů pro elektrody a elektrolyty, tak i jejich nových celkových uspořádání, kontaktů, bipolárních desek, spojení a těsnění.

Aplikace vysokoteplotních palivových článků se předpokládají hlavně v lokální, decentralizované energetice, částečně ve sféře elektrických pohonů v dopravě. V oblasti energetických aplikací VPČ je hlavní technickou a technologickou výzvou optimální začlenění soustav (seriových baterií) VPČ do účinných a spolehlivých technologií získávání energie z plynných, kapalných, případně i pevných paliv kombinací VPČ s parními kotly, paro-plynovými cykly nebo kogenerace tepla a elektrické energie.

Optimální integrace vysokoteplotních článků do energetických systémů a využití jak tepla spalin, tak i zbytkového chemického potenciálu produkovaných plynů (obsahujících vždy i část nespotřebovaných plynných složek) a případné začlenění i nízkoteplotních, vysoce účinných palivových článků do těchto soustav je stále předmětem intenzivního technologického výzkumu a vývoje.

LITERATURA:
1. Larminie J., Dicks A.: Fuel Cell Systems Explained. Wiley, Chichester, 2001.
2. Appleby A.J., Foulkes F.R.: A Fuel Cell Handbook. 2.vyd., Kreiger , Huntington, 1993.
3. Haynes C.: J. Power Sources 92, 199 (2001).
4. Demin A., Tsiakaras P.: Int. J. Hydrogen Energy 26, 1103 (2001).
5. Peelen W.H.A., Hemmes K., de Wit J. H. W.: High Temp. Mater. Process. 2, 471 (1998).
6. Lutz A.E., Larson R.S., Keller J.O.: Int. J. Hydrogen Energy, 27, 1103 (2002).
7. Barin I. : Thermochemical Data of Pure Substances. 3. vyd. VCH, Weinheim, 1995.
8. de Haart L.G.J., Vinke I.C., Janke A., Ringel H. Tietz F.: v knize Solid Oxide Fuel Cells VII, H. Yokokawa, S.C. Singhal Ed., PV 2001-16, str. 111. The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington 2001.
9. Bosio B., Costamagna P., Parodi F., Passalacqua B.: J. Power Sources 74, 175 (1998).
10. Mathur A., Bali S., Balakrishnan M., Perumal R., Batra V.: Int. J. Energy Res. 23, 1177 (1999).
11. Lobachyov K.V., Richter H.J.: Energy Convers. Mgmt. 39, 1931 (1998).
12. Dicks A.L., Siddle A.: Assessment of Commercial Prospects of Molten Carbonate Fuel Cells. ETSU Report No. F/03/00168/REP, AEA Technology, Harwell, 1999.
13. Lobachyov K., Richter H.J.: J. Energy Resources Technol. 118, 285 (1996).
14. Lowrie F.L., Rawlings R.D.: J. Eur. Ceram. Soc. 20, 751 (2000).
15. McEvoy A.J.: J. Mater. Sci. 36, 1087 (2001).
16. Veyo S.E., Forbes C.A.: Proceedings of the 3 rd European Solid Oxide Fuel Cell Forum in Lausanne str. 79 (1998).
17. Biedenkopf P., Spiegel M., Grabke H.J.: Materials Corrosion 48, 488 (1997).
18. Kunz H.R.: J. Electrochem. Soc. 134, 105 (1987).
19. Yamamoto O : Elektrochim. Acta 45, 2423 (2000).
20. Tiffé E.I., Weber A,., Herbstritt D.: J. Eur. Ceram. Soc. 21, 1805 (2001).
21. Feng M., Goodenough J., Huank K., Milliken C.: J. Power Sources 63, 47 (1996).
22. Murray E.P., Tsai T., Barnett S.A.: Nature 400 , 649 (1999).
23. Das D., Edwards J., Kindermann L., Hilpert K., Putz G.: US patent 5 824 429, Int. Cl. H01M 4/90, 1998.
24. Isenberg H.O.: US patent 4 490 444, Int. Cl. H01M 8/12 , 1984.
25. Greiner H.: US patent 6 156 448, Int. Cl. H01M 8/12 , 2000.
26. Ringel H.: US patent 5 932 366, Int. Cl. H01M 8/12 , 1999.
27. Batawi E., Honegger K.: US patent 5 932 368, Int. Cl. H01M 4/86 , 1999.
28. Alderucci V., Antonucci P.L., Maggio G., Giordano N., Antonucci V.: Int. J. Hydrogen Energy 19, 369 (1994).
29. Novikov G.I., Gamanovič N. M.: Ž. Prikl. Chim. 70, 1098 (1997).
30. Clarke S.H., Dicks A.L., Pointon K., Smith T.A., Swan A.: Catal. Today 38, 411 (1997).
31. Dicks A.L.: J. Power Sources 71, 111 (1998) .
32. Gür T.M., Huggins R.A.: US Patent 5 376 469, Int. Cl. H01M 8/12, 1994.
33. Wolk R.H., McDaniel J.: Energy Convers. and Manag. 33, 705 (1992).
34. Lobachyov K.V., Richter J.: Energy Convers. Mgmt. 38, 1693 (1997).
35. McIllveen D.R., Williams B.C., McMullan J.T.: Renewable Energy 19, 223 (2000).
36. Jansen D., Mozaffarian M.: Energy Convers. Mgmt. 38, 957 (1997).
37. Ahmed S., Krumpelt M.: Int. J. Hydrogen Energy 26, 291 (2001).
38. Kriechbaum K., Filip G.: US patent 6 136 462, Int. Cl. H01M 8/04, 2000.
39. Nielsen J.R., Christiansen L.J., Petersen K.A.: US patent 5 688 609, Int. Cl. H01M 8/10, 1997.
40. Hsu M.S.: US patent 5 747 185, Int. Cl. H01M 8/02, 1998.
41. Bevc F.: Proc. Inst. Mech. Engrs. 211, Part A , 359 (1997).
42. Hassmann K., Heidug W.K., Veyo S.: Brennstoff-Wärme-Kraft 51 , 40 (1999).
43. Wolfe D., Minh N., Meister K., Matulich D.: US patent 5 968 680, Int. Cl. H01M 8/04, 1999.
44. StockA.: US patent 6 124 050, Int. Cl. H01M 8/04, 2000.