Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells

3.5. TERMODYNAMIK I SOEC
Tabel 3.2: Modstande i forhold til temperatur i en 2. generations SOEC [Jensen 2, 2005].
3.4.1 Termoneutral spænding ET n
Temperatur [ ◦ C] 650 750 850 950
ASR [Ω·cm 2 ] 1,53 0,53 0,23 0,16
Af tabel 3.2 fremgår, at modstanden falder når temperaturen stiger, hvilket er med til at stabilisere
cellespændingen omkring den termoneutrale spænding ET n. Det betyder, at når en større mængde
varme genereres, stiger temperaturen, og modstanden i cellen vil falde. Det bevirker, at mindre varme
genereres og temperaturen falder igen [Jensen 2, 2005]. Derfor kan det konkluderes, at det er optimalt
at operere cellen netop ved ET n. Det gælder primært, når det ses ud fra et effektivitetsmæssigt synspunkt.
Her er der ikke taget højde for, at der bruges elektrisk energi til at fordampe vand, hvorved ET n
stiger. Cellespændingen udregnes ved formel 3.11.
ET n = ∆Htemp.forskel
n ·F
[V ] (3.11)
F er Faradays konstant (9,65 · 10 4 C · mol −1 ), n er antal af elektroner (e − ) ved reaktionen og ET n er den
termoneutrale spænding. ∆Htemp.forskel er entalpiændringen for processen.
Den teoretisk bestemte ET n for CO2-elektrolyse er 1,48 V, mens den for H2O-elektrolyse er 1,29 V
[Jensen et al., 2008]. Ved elektrolyse af 50% H2O og 50 % CO2 kan ET n tilnærmes 1,39 V [Jensen 3,
2008]. I praksis er det ikke optimalt at køre med så høj spænding over cellen, da det slider meget på
cellen. Derfor er den termoneutrale spænding ønskelig i forhold til effektivitet, men ikke i forhold til
levetid.
Effekt
Den elektriske effekt er givet ved: P = -I·V. Strømmen er noteret negativ, da en SOEC opfattes som
en modsatrettet SOFC, da strømmen tvinges til at løbe fra den negativt ladede katode til den positivt
ladede anoden og angives derfor negativt, se på figur 3.2. For at opnå en større effekt placeres cellerne
i en stak med et gastæt, elektronledende lag imellem hver celle, interconnectlaget. Der er endnu ikke
blevet produceret en full scale SOEC-stak, men til sammenligning har Risø opnået en effekt på 2,3 kW
med en SOFC-stak med et volumen svarende til 1 l [Nielsen 1, 2008].
3.5 Termodynamik i SOEC
I dette kapitel gennemgåes de termodynamiske forhold, der er i forbindelse med en SOEC. Afsnittet
er bygget op omkring følgende kilder: [Jakobsen, 1977] [Steven og Zumdahl, 2007] [Mygind, 1997]
[Jensen et al., 2008]. Flere af de præsenterede formler i dette afsnit bliver anvendt i forbindelse med
opbygningen af modellen i kapitel 5.
3.5.1 Energi til elektrolyseprocessen
Den ideele driftstemperatur for en SOEC er ca. 850 ◦ C. I takt med at celletemperaturen stiger, bliver
totalreaktionen gradvist mere endoterm, se figur 3.10. Herved øges virkningsgraden for cellen, hvilket
skyldes, at den krævede mængde elektrisk energi kan reduceres. En endoterm reaktion er defineret
således:
29