Pressurised solid oxide fuel cells : from electrode electrochemistry to hybrid power plant system integration

Abstract

Hybrid power plants consisting of a gas turbine and solid oxide fuel cells (SOFC) promise high electrical efficiencies if both components are directly coupled and the SOFC is operated at elevated pressure. This thesis covers the different aspects of this topic ranging from pressure influences on electrochemistry at the electrodes to operating strategies of a hybrid power plant.

The influence of pressure on SOFC performance is investigated theoretically and experimentally. Experiments are carried out using a test rig that allows for characterisation of SOFC stacks at pressures up to 0.8 MPa. Polarisation curves and electrochemical impedance spectra are used for evaluations. In addition to experimental investigations an SOFC stack model is developed based on an existing electrochemistry modeling framework. The stack model is experimentally validated and used for a theoretical analysis of pressure effects. Results show that Nernst potential increases with increasing pressure causing a higher open circuit voltage. Furthermore, gas diffusion is enhanced with increasing pressure and the charge transfer reaction is facilitated due to higher adsorption rates of reactants at the electrode surfaces. These effects significantly improve SOFC performance. At constant operating conditions and efficiency an increase in SOFC power density of up to 83% is measured. If power density is kept constant, electrochemical efficiency is improved by up to 14 %. Results generally show that pressure influence is stronger at low pressures up to 0.5-1 MPa and weakens towards higher pressures.

The influence of pressure on formation of nickel oxide and solid carbon is investigated. An analytical evaluation of the nickel oxidation propensity shows that nickel oxidation is more likely to occur at higher pressures because the equilibrium partial pressure of oxygen in the anode gas increases. However, further investigations are necessary as electrochemical oxidation of nickel is not considered in this study. Carbon deposition is another degradation mechanism that can decrease the performance of an SOFC system. It was investigated via thermodynamic simulations using the software package Cantera. Thermodynamic equilibrium of gas mixtures with different oxygen to carbon ratios is calculated showing that the tendency to carbon deposition is highly pressure dependent. Carbon deposition should be avoidable if oxygen to carbon ratio is kept above 2 within conditions that are relevant for hybrid power plants.

The developed stack model is integrated into an existing validated gas turbine model that is extended to include further SOFC system components. A system operating strategy is presented that is based on a gas turbine control. Operating conditions of the SOFC are not directly controlled. A sensitivity analysis is carried out showing that the power ratio between gas turbine and SOFC is the most important parameter in order to achieve a high electrical efficiency. Other parameters like the number of SOFC stacks as well as gas and heat recirculation rates are of less importance. Thermal losses can significantly reduce electrical efficiency if they occur downstream of the recuperator.

Finally, the operating range of a hybrid power plant based on the proposed system control is investigated. It is found that high electrical efficiencies above 60% (based on the HHV) are achievable within an electrical power range from 310 to 670 kW if gas turbine speed and SOFC electrical power are adjusted. A further reduction in electrical power output of the power plant is possible but will result in a significant drop in electrical efficiency.

Hybridkraftwerke bestehend aus Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) und Gasturbine versprechen hohe elektrische Wirkungsgrade, wenn beide Komponenten direkt gekoppelt werden. Dabei wird die SOFC bei erhöhtem Druck betrieben. In dieser Doktorarbeit werden verschiedene Aspekte dieses Themengebiets detailliert untersucht. Die Inhalte dieser Arbeit reichen thematisch von der Elektrochemie an den Elektroden bis hin zu Betriebsstrategien für das Hybridkraftwerk.

Der Einfluss von Druck auf das Leistungsverhalten der SOFC wird theoretisch und experimentell untersucht. Die Experimente werden mit Hilfe eines Teststands durchgeführt, der die Charakterisierung von SOFC bei Drücken bis zu 0,8 MPa erlaubt. Polarisationskurven und Impedanzspektren werden für die Bewertung verwendet. Neben den experimentellen Untersuchungen wird ein SOFC-Stackmodell entwickelt, welches auf ein bestehendes elektrochemisches SOFC-Modell aufbaut. Das Modell wird parametriert, experimentell validiert und für eine theoretische Analyse von Druckeffekten verwendet. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Nernstspannung mit steigendem Druck, was eine höhere Leerlaufspannung zur Folge hat. Außerdem werden mit steigendem Druck die Diffusion von Gasen verstärkt sowie die Ladungstransferreaktion durch höhere Adsorptionsraten der Reaktanten auf den Elektrodenoberflächen gefördert. Durch diese Effekte kann die Leistungsfähigkeit der SOFC signifikant gesteigert werden. Bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen und kostantem elektrochemischen Wirkungsgrad wird ein Anstieg der Leistungsdichte von bis zu 83% gemessen. Bei konstanter Leistungsdichte kann der elektrochemische Wirkungsgrad um bis zu 14% gesteigert werden. Generell zeigt sich, dass der Druckeinfluss bei niedrigen Drücken bis zu 0,5 bis 1 MPa am stärksten ist und mit steigendem Druck stark abnimmt.

Der Druckeinfluss auf die Bildung von Nickeloxid und abgeschiedenem Kohlenstoff wird untersucht. Eine analytische Betrachtung zeigt, dass die Neigung zur Bildung von Nickeloxid mit steigendem Druck zunimmt, da der Gleichgewichtspartialdruck von Sauerstoff im Anodengas ansteigt. Allerdings sind weitere Untersuchungen notwendig, da die elektrochemische Oxidation von Nickel bei dieser Untersuchung nicht berücksichtigt ist. Die Ablagerung von Kohlenstoff ist ein weiterer Degradationsmechanismus, der die Leistungsfähigkeit eines SOFC-Systems verringern kann. Die thermodynamische Neigung zu Kohlenstoffablage-rungen wird mit Hilfe der Software Cantera untersucht. Die Berechnung des thermodynamischen Gleichgewichts von Gasgemischen mit verschiedenen Verhältnissen von Sauerstoff zu Kohlenstoff zeigt, dass die Neigung zu Kohlenstoffablagerungen stark druckabhängig ist. Unter Bedingungen, wie sie im Hybridkraftwerk auftreten, sollten Ablagerungen jedoch vermeidbar sein, indem das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff über einem Wert von zwei gehalten wird.

Das entwickelte Stackmodell wird in ein bestehendes und validiertes Gasturbinenmodell integriert und dabei um zahlreiche weitere Kraftwerkskomponenten ergänzt. Eine Betriebsstrategie für ein Hybridkraftwerk wird vorgestellt, welches auf der Regelung einer Gasturbine beruht. Die Betriebsbedingungen der SOFC werden dabei nicht direkt beeinflusst. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, dass das Verhältnis der elektrischen Leistung zwischen SOFC und Gasturbine einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Kraftwerks hat. Andere Parameter wie die Anzahl der Zellen oder Wärme- und Gasrezirkulationsraten spielen nur eine untergeordnete Rolle. Wärmeverluste können den Wirkungsgrad erheblich vermindern, sofern sie (in Gasflussrichtung) hinter dem Rekuperator auftreten.

Abschließend wird der Betriebsbereich des Hybridkraftwerks mit dem zuvor vorgestellten Betriebskonzept näher untersucht. Es zeigt sich, dass elektrische Wirkungsgrade über 60% (basierend auf dem oberen Heizwert) innerhalb eines Leistungsbereichs zwischen 310 und 670 kW möglich sind, sofern die Drehzahl der Gasturbine und die elektrische Leistung der SOFC aufeinander abgestimmt werden. Eine weitere Reduzierung der elektrischen Leistung ist möglich, führt jedoch zu einer deutlichen Verringerung des elektrischen Wirkungsgrads.