Development of a reversible solid oxide single cell test station
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2021-06-14
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
63 + 1
Series
Abstract
The global warming and high reliance on fossil fuels is the thriving force of motivation for energy sector to move towards cleaner and more sustainable production methods. Renewable production methods such as wind and solar provides good alternative for fossil fuel based productions. However, in these methods the intermittent power generation cycles create challenges on matching the energy demand and supply. To mitigate this mismatch the renewable production methods need supporting technologies like large-scale energy storages or zero-carbon fuel production. A reversible solid oxide cells (ReSOC) are one promising technology that offers the both energy storage and gaseous fuel production. The ReSOC is electrochemical cell that provides fully reversible energy conversion between chemical energy and electricity. In solid oxide fuel cell (SOFC) mode, the ReSOC produces electricity, heat and water from gaseous fuel (H2, CH4, CO) and oxidant (O2, Air). In solid oxide electrolysis (SOEC) mode, the ReSOC provides the reverse conversion for SOFC, where the water is split to hydrogen (H2) and oxygen (O2) gasses with electricity. The core of this thesis was to modify a SOFC single cell test station to ReSOC test station, by integrating SOEC functionality to the test station. The first section of this thesis gives theory background for ReSOC technology, where the structure of the solid oxide cells (SOC) and the basic operating principles of the SOFC, SOEC and ReSOC modes are introduced. In second section, the unmodified SOFC test station is introduced, to show the starting point of the modification work. A third section introduces a requirements and the practical implementation of the ReSOC modification work. The practical solution of the modification was done by integrating electrical power supply and custom made steam feed system to the test station. The finished ReSOC test station was tested with 100.7 cm2 NiO-YSZ-LSC cell, where the cell was measured in ReSOC polarizations at ±0.49 A/cm2, RU ≥0.4 and in 600, 650, 700 ˚C operating temperature. In the last operation, the cell was measured in long term SOEC at stable 0.49 A/cm2 in 650 ˚C. These measurements shows that the ReSOC modification was successful and it fulfilled all the requirements. The results also show that the SOC cells are able to perform well in reversible operation even with rapid switches between SOFC and SOEC modes.Ilmastonmuutos sekä vahva riippuvuus fossiilisista energiamuodoista motivoi energiasektoria siirtymään puhtaampiin ja kestävämpiin energiantuotantomuotoihin. Uusiutuvat energianlähteet, kuten tuuli ja aurionkoenergia, antavat hyvän vaihtoehdon korvaamaan fossiiliset tuotantomuodot, mutta epätasaiset tuotantosyklit aiheuttavat haasteita energiantuotannon ja kysynnän yhteensovittamisessa. Tuotannon ja kysynnän yhteensovittamiseksi uusiutuvat energiamuodot tarvitsevat tukevia teknologioita, kuten ison mittakaavan energianvarastointitekniikoita ja päästöttömien polttoaineiden tuotantomuotoja. Reversiibelit kiinteäoksidikennot (ReSOC) ovat lupaava teknologia, joka toimii täysin reversiibelissä energiakonversiossa kemiallisen ja sähköenergian välillä. Polttokennotilassa (SOFC) kiinteäoksidikenno tuottaa sähköä, lämpöä ja vettä kaasumaisesta polttoaineesta (H2, CH4, CO) ja hapettimesta (O2, ilma). Elektrolyysitilassa (SOEC) kenno toimii vastakkaisuuntaisella energiankonversiolla, missä kenno tuottaa polttoainetta hajottamalla vettä (H2O) sähkövirralla. Reversiibeli kiinteäoksidikennoteknologia mahdollistaa sekä polttokenno- että elektrolyyseritoiminnon käyttämisen samassa laitteessa, jolloin teknologiaa voidaan käyttää energian varastoinnissa tai päästöttömien polttoaineiden tuotannossa. Tämä diplomityö käsittelee kehitystyötä, jossa kiinteäoksidipolttokennotestiasema muokattiin toimimaan polttokennotilan lisäksi reversiibeleissä sekä elektrolyysikennomittauksissa. Työn ensimmäinen osa esittelee ReSOC -teknologian perustoimintaperiaatteen sekä kiinteäoksidikennojen rakenteen. Työn toisessa osassa esitellään muokkaamaton polttokennotestiasema ja muokkauksen lähtökohdat. Kolmas osio esittelee tavoitteet sekä käytännön toteutuksen testiaseman muokkaukselle, jossa testiasemaan liitettiin vedensyöttö sekä virransyöttölaitteisto. Muokkauksen jälkeen ReSOC -testiasema testattiin 100.7 cm2 NiO-YSZ-LSC testikennolla, jossa kennoa mitattiin ReSOC -polarisaatiolla olosuhteissa: ±0.49 A/cm2, RU ≥0.4, lämpötiloissa 600, 650 ja 700 ˚C. Viimeisenä kenno mitattiin tasaisella 0.49 A/cm2 elektrolyysillä 431h ajan 650 ˚C asteessa. Nämä mittaukset osoittavat, että muutostyöt saatiin toteutettua onnistuneesti, ja valmis testiasema täyttää sille asetetut kriteerit. Mittauksista voidaan myös todeta, että kiinteäoksidikennot toimivat hyvin reversiibeleissä operaatioissa, jopa nopeilla vaihdoilla polttokennon ja elektrolyysin välillä.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Rautanen, MarkusMikkola, Jyrki
Keywords
solid oxide cell, fuel cell, electrolyser, reversible solid oxide cell, hydrogen
