Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells

KAPITEL 3. SOEC-TEKNOLOGI
Afhængig af strømmen gennem og spændingen over cellen skabes indre modstand i cellen, kaldet
den ohmske modstand. Den ohmske modstand i cellen skyldes bl.a. forurening med silicium i anoden,
se materialeafsnit 3.3.1. Silicium er dårligt elektrisk ledende, og bruges bl.a. i kondensatorer som
isoleringsmateriale. Derfor er det ønskeligt at have et så lavt indhold af silicium i anoden som muligt.
Den indre ohmske modstand genererer varme kaldet; Joule-varme. Joule-varmen er egentlig spildvarme,
og det er ønskværdigt at udnytte den for at optimere virkningsgraden, da Joule-varmen udfylder
behovet for varme i elektrolyseprocessen. Det er optimalt at operere cellen ved en tilstand, hvor
varmen genereret er lig med varmen, som processen kræver. Således skal der ikke tilføres varme, og
derved mindskes forbruget af energi til processen. Opereres cellen ved termoneutralspænding (ET n),
svarer den genererede Joule-varme præcis til processens varmebehov, se afsnit 3.4.1. Det vil sige, at
Joule-varmen præcis er lig T·∆S. Opererer cellen ved en spænding < ET n, genereres ikke tilstrækkelig
Joule-varme til at opfylde varmebehovet, og derfor skal der tilføres varme, ellers vil cellens temperatur
falde. Hvis cellen opereres ved en spænding > ET n, genereres der mere varme end der er behov for,
og der opstår altså spildvarme, som kan betegnes som tab. Det kan dog være optimalt at operere over
ET n, da spildvarmen kan bruges til at opvarme H2O til dampform.
Figur 3.11 illustrerer den totale ohmske modstand i en brændselscelle/elektrolysecelle, som en kombination
af modstande fra de forskellige komponenter i cellen. Detaljeringsgraden for de enkelte
komponenter kan udvides for f.eks. anodelaget, der også består af et anodesupportlag, se materialeafsnit
3.3.1. Det er også muligt at tilskrive en kontaktmodstand mellem lagene. Det er svært at
bestemme de enkelte modstandes størrelse eksperimentelt, da målinger på de enkelte enheder (f.eks.
anode, katode osv.), inden samling af cellen, ikke er lig den samlede modstand for cellen. Det er bl.a.
på grund af kontaktmodstanden [O’Hayre et al., 2006].
Figur 3.11: Elektrisk modstandsdiagram for en SOEC [O’Hayre et al., 2006].
Den samlede modstand i cellen er en serieforbindelse af de enkelte modstande:
Req = 2·Ri nter connect + Ranode + Rel ektr ol y t + Rkatode [Ω] (3.9)
Generelt for brændsels- og elektrolyseceller benyttes en samlet arealspecifik modstand (ASR) med enheden
Ω·cm 2 . Det skyldes, at strømmen i brændsels- og elektrolyseceller sammenlignes ved strømtæthed
(A/cm 2 ). Således kan to cellers modstande sammenlignes, selv om de har forskellig størrelse.
Ved ASR forstås, at modstanden skaleres med arealet:
ASR = Req · ASOEC [Ω·cm 2 ] (3.10)
ASOEC er cellens areal. I tabel 3.2 ses et udpluk fra Risø DTU’s målinger af ASR sammenlignet med
temperaturen i en såkaldt 2. generations SOEC, se materialeafsnit 3.3.1.
28