Improving the performance of solid oxide fuel cell systems

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Halinen, Matias
dc.date.accessioned 2015-04-22T09:00:54Z
dc.date.available 2015-04-22T09:00:54Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-951-38-8238-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8237-2 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15748
dc.description.abstract Solid oxide fuel cell (SOFC) systems can provide power production at a high electrical efficiency and with very low emissions. Furthermore, they retain their high electrical efficiency over a wide range of output power and offer good fuel flexibility, which makes them well suited for a range of applications. Currently SOFC systems are under investigation by researchers as well as being developed by industrial manufacturers. The first commercial SOFC systems have been on the market for some years now, with the help of government subsidies. However, the performance, cost and durability of SOFC systems must be improved in order for them to be competitive in the open market. For this purpose, it is important to evaluate the technical feasibility and performance of possible SOFC system designs and the balance of plant components. Furthermore, the operating environment of the costly SOFC stack must be controlled rigorously in order to attain both high efficiency and long lifetime. The instrumentation and the peripheral equipment of SOFC systems must be simplified in order to decrease system costs, although without sacrificing the system's operational reliability. This thesis focuses on the design and operational aspects of SOFC systems. The top-level targets for the research work were (i) to identify a feasible system design and a set of components which would enable utilization of the high electrical efficiency potential, above 45%, of SOFC technology and (ii) to find solutions which would improve and simplify the operation of SOFC systems. This work presents a novel SOFC system design capable of reaching an electrical efficiency of 45%. The design utilizes the so-called anode off-gas recycling concept, which improves the system's self-sufficiency by eliminating the need for an external water supply during normal operation. The technical feasibility of the system design was validated by constructing a proof-of-concept prototype and performing long-term experiments with it. The proof-of-concept prototype was further used to investigate several specific operational challenges of the systems, including (i) prevention of carbon formation in the fuel system, (ii) quantification of the effects of stack leakages, (iii) protection of the anode from damage during system start-up cycles and (iv) control of the SOFC stack temperature. The solutions found for these challenges are readily implementable and could promote commercialization of SOFC systems by simplifying system design and improving their operational capabilities. en
dc.description.abstract Kiinteäoksidipolttokennojärjestelmät (solid oxide fuel cell, SOFC) mahdollistavat sähköntuotannon hyvällä hyötysuhteella ja pienillä päästöillä. SOFC-järjestelmät soveltuvat monille erilaisille polttoaineille ja eri teholuokkiin, joten niitä voidaan käyttää laajasti erityyppisissä sovelluskohteissa. Tällä hetkellä ensimmäiset SOFC-järjestelmät ovat jo markkinoilla, joskin erilaisten taloudellisten tukijärjestelmien avustamina. Järjestelmien suorituskyky, hinta ja elinikä eivät ole vielä kilpailukykyisiä perinteisiin sähköntuotantomenetelmiin verrattuna, vaan vaativat yhä kehitystyötä. SOFC-järjestelmä voidaan toteuttaa monin eri tavoin, ja siksi on tarpeellista tutkia järjestelmien rakennetta ja rakentamiseen käytettävien komponenttien suorituskykyä sekä teknistä soveltuvuutta kokonaisuutena. Lisäksi järjestelmän pääkomponentin, SOFC-kennoston, toimintaolosuhteet vaativat tarkkaa hallintaa korkean hyötysuhteen ja pitkän käyttöiän turvaamiseksi. Järjestelmien vaatimien mitta- ja oheislaitteiden vähentäminen on tarpeen järjestelmän hinnan pienentämiseksi. Tämä väitöskirja käsittelee SOFC-järjestelmien rakennetta, komponentteja ja operointia. Väitöskirjatyön tavoitteina oli (i) löytää SOFC-järjestelmälle toteuttamiskelpoinen rakenne, jolla voidaan saavuttaa korkea, yli 45 %:n sähköhyötysuhde, ja (ii) kehittää ratkaisuja, jotka parantavat ja yksinkertaistavat järjestelmien operointia. Väitöskirjassa esitetään uudenlainen järjestelmärakenne, jolla työlle asetettu hyötysuhdetavoite on mahdollista saavuttaa. Järjestelmässä käytetään ns. anodikaasun takaisinkierrätystä, joka parantaa järjestelmän omavaraisuutta poistamalla ulkoisen vedensyötön tarpeen. Järjestelmärakenteen toteutettavuus osoitetaan kokeellisesti rakentamalla prototyyppi järjestelmästä ja suorittamalla sillä pitkäaikaiskokeita. Prototyyppiä käyttäen selvitetään SOFC-järjestelmien rakenteessa ja operoinnissa esiintyviä ongelmia, jotka liittyvät (i) hiilenmuodostumisen estämiseen polttoainejärjestelmässä, (ii) kennoston vuotojen ja niiden vaikutusten määrittämiseen, (iii) kennoston anodin suojaamisen vaurioilta järjestelmän käynnistyksen aikana ja (iv) kennoston lämpötilan hallintaan. Kyseisille ongelmille esitetään toteuttamiskelpoiset ratkaisut, jotka parantavat ja yksinkertaistavat SOFC-järjestelmien rakennetta ja operointia ja voivat osaltaan helpottaa niiden kaupallistumista. fi
dc.format.extent 72 + app. 85
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher Teknologian tutkimuskeskus VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 82
dc.relation.haspart [Publication 1]: M. Halinen, J. Saarinen, M. Noponen, I. C. Vinke, J. Kiviaho. Experimental analysis on performance and durability of SOFC demonstration unit. Fuel Cells. (2010) Vol. 10 (3), 440–452. doi: 10.1002/fuce.200900152
dc.relation.haspart [Publication 2]: M. Halinen, M. Rautanen, J. Saarinen, J. Pennanen, A. Pohjoranta, J. Kiviaho, M. Pastula, B. Nuttall, C. Rankin, B. Borglum. Performance of a 10 kW SOFC Demonstration Unit, ECS Transactions. (2011), Vol. 35 (1), 113–120. doi: 10.1149/1.3569985
dc.relation.haspart [Publication 3]: M. Halinen, O. Thomann, J. Kiviaho. Effect of anode off-gas recycling on reforming of natural gas for solid oxide fuel cell systems, Fuel Cells. (2012) Vol. 12 (5), 754–760, doi: 10.1002/fuce.201200047
dc.relation.haspart [Publication 4]: M. Halinen, J. Pennanen. Analysis of leakages in a solid oxide fuel cell stack in a system environment. Fuel Cells. (2015). In press. 18 pages. doi: 10.1002/fuce.201400072
dc.relation.haspart [Publication 5]: M. Halinen, O. Thomann, J. Kiviaho. Experimental study of SOFC system heat-up without safety gases. International Journal of Hydrogen Energy. (2014), Vol. 39 (1), 552–561 doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.043
dc.relation.haspart [Publication 6]: M. Halinen, A. Pohjoranta, J. Pennanen, J. Kiviaho. Stack temperature estimation in system environment by utilizing the design of experiments methodology. ECS Transactions. (2013) Vol. 57 (1), 205–214, doi: 10.1149/05701.0205ecst
dc.relation.haspart [Publication 7]: M. Halinen, A. Pohjoranta, J. Pennanen, J. Kiviaho. Application of Multivariable Regression Model for SOFC Stack Temperature Estimation in System Environment, Proceedings of 11th SOFC & SOE Forum 2014, Chapter 15 – Sessions B12/A13, 183–190
dc.subject.other Energy en
dc.title Improving the performance of solid oxide fuel cell systems en
dc.title Kiinteäoksidipolttokennojärjestelmien suorituskyvyn parantaminen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword solid oxide fuel cell en
dc.subject.keyword system en
dc.subject.keyword anode off-gas recycling en
dc.subject.keyword carbon formation en
dc.subject.keyword leakage en
dc.subject.keyword anode protection en
dc.subject.keyword temperature control en
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-8238-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Lund, Peter, Prof., Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Espoo, Finland
dc.opn Steinberger-Wilckens, Robert, Prof., Dr., University of Birmingham, School of Chemical Engineering, United Kingdom
dc.rev Assadi, Mohsen, Prof., Dr., University of Stavanger, Department of Petroleum Engineering, Stavanger, Norway
dc.rev Rokni, Masoud, Associate Prof., Dr., Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering, Thermal Energy, Lyngby, Denmark
dc.date.defence 2015-05-08


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account