ENE-C200 Käytännön energiatekniikkaa (KET) Convion Ltd:n SOFC-polttokenno / tehtävänanto / ver6 Yleistä Tässä asiakirjassa määritellään Convion Ltd:n kiinteäoksidipolttokenno ryhmätyöhön liittyvät tehtävät. Vierailuun liittyvät käytännön asiat (aikataulut jne.) esitetään erillisessä ohjeessa. Kukin ryhmä palauttaa kirjallisen raportin, jonka ulkoasusta ja jäsentelystä annetaan erillinen ohje. Raportista annetaan ryhmälle yhteinen arvosana. Erikseen valitaan ryhmä tai ryhmät, jotka pitävät myös suullisen esityksen loppuseminaarissa. 2 Ennakkoperehtyminen ja siihen liittyviä tietolähteitä Ennakkoperehtyminen ennen vierailua:. Perehdy tähän tehtävänantoon ja siinä olevaan SOFC polttokennon toimintaa koskevaan osioon. 2. Tutustu polttokennon perusperiaatteisiin ja polttoreaktioiden ja systeemien energiataselaskentaan 3. Tutustu polttokennoon esimerkiksi SOFC kennon eri valmistajien nettisivujen avulla. Mahdollisia tietolähteitä alkajaisiksi http://convion.fi/ http://www.fz juelich.de/portal/en/research/energyenvironment/_node.html http://www.bloomenergy.com/fuel cell/solid oxide/ Muita tietolähteitä ovat esimerkiksi: Markku Lampinen: Termodynamiikan perusteet, Otatieto 997 Markku Lampinen: Kemiallinen termodynamiikka, Edita 200 Tietolähteitä saa ja pitää etsiä muitakin.
3 Tehtävänanto 3. Yleistä Seuraavassa on esitetty joukko kysymyksiä, joiden vastaukset esitetään ryhmän tuottamassa raportissa. Osa kysymyksistä on pakollisia. Näitä kysymyksiä pitää pohtia ja laskea. Osa kysymyksistä on vapaaehtoisia. Nämä kysymykset toimivat esimerkkeinä siitä, millaisia asioita työssä voi lisäksi pohtia. Vapaaehtoisten kysymysten osalta ryhmillä on oikeus tehdä valintoja työn rajausten suhteen: työssä voi joko keskittyä harvempiin asioihin perusteellisemmin tai useampiin asioihin pinnallisemmin. Työhön voi sisällyttää myös sellaisia kysymyksiä, joita ei ole lainkaan ehdotettu tässä listassa. Loppuraportin pitää olla itsenäinen tieteellinen kirjoitus siinä mielessä, että lukijan pitää ymmärtää se, vaikka hän ei näkisikään alkuperäistä tehtävänantoa. Loppuraportin selkeys ja johdonmukaisuus sekä raporttia laadittaessa tehdyt rajaukset ja niiden perustelut ovat osa kriteeristöä, jolla työtä arvioidaan. Loppuraporttiin tulee sisältyä myös osio, jossa kerrotaan ryhmän työskentelystä. Ryhmätyöskentelyn arvioinnissa voi vastata esimerkiksi seuraaviin kysymyksiin: Kuka ryhmässä teki mitäkin ja miten ryhmän työskentely onnistui kokonaisuudessaan? Mikä ryhmätyöskentelyssä meni hyvin ja mitä tekisitte toisin? " 3.2 Tuotekehitys ja liiketoiminta Näiden kysymysten tarkoituksena on pohtia uuden tuotteen kehittämisen, rahoituksen, markkinoille pääsyn sekä eri liiketoimintakonseptien problematiikkaa.. Milloin Suomessa ryhdyttiin kehittämään kyseistä SOFC järjestelmää ja miksi juuri silloin. Miksi tuotekehityksen kohteeksi valittiin SOFC kenno eikä esimerkiksi PEM kennoa? Mitkä ovat SOFC järjestelmän suurimmat edut ja haitat kilpaileviin teknologioihin verrattuna? 2. Kuinka suurella henkilömäärällä tuotekehitystä on tehty ja paljonko siihen on kulunut henkilötyövuosia? Miten henkilöstön ammattikuva / tarvittava ammattiosaaminen on muuttunut tuotteen kehittämisen edetessä? 2
3. Saatiinko ja saadaanko tuotekehitykseen yhteiskunnan tukea; minkälaista tukea ja kuinka paljon; onko start up yritykselle saatu erityistä tukea? 4. Minkälaiset markkinat SOFC järjestelmällä on arvioitu olevan; mitkä ovat oletetut pääsovellutuskohteet ja ketkä ovat mahdollisia asiakkaita? Mikä / mitkä teknologiat ovat pahimpia kilpailijoita näillä sovellutusalueilla? 5. Minkälaisia eri liiketoimintakonsepteja on hahmoteltu SOFCjärjestelmälle eli miten polttokennon on ajateltu pääsevän markkinoille? Miten toisaalta myynti ja markkinointi ja toisaalta toimitus, jakelu, huolto ja ylläpito on ajateltu järjestettävän? 6. Mikä on SOFC järjestelmän nimellinen käyttöikä ja mitkä asiat vaikuttavat SOFC järjestelmän käyttöikään ja huoltotarpeeseen? Pitääkö SOFC järjestelmää huoltaa usein? 3.3 Polttokennoprosessi Kuvaa ja selosta SOFC prosessin tärkeimmät laitteet ja niiden tehtävät. Esitä SOFC prosessin prosessikaavio ja merkitse laitteet siihen käyttäen standardin mukaisia piirrosmerkkejä. Kaaviokuvaan pitää merkitä polttokennoprosessiin tulevat ja poistuvat aine ja energiavirrat sekä merkitä numeroimalla tai muulla yksiselitteisellä tavalla prosessilaskennassa käytettävät pisteet. Esitä polttokennon prosessilaskelmat nimellistehoa tuotettaessa. Laskelmissa oletetaan, että: Laskelmat tehdään mitatun ilmamäärän ja metaanimäärän pohjalta (ei siis mitatun pakokaasun pohjalta) Polttokennomodulista jälkipolttimelle virtaavien kaasujen lämpötila on kennon oletetussa lämpötilassa 900 K (mahdollinen reformerin jälkeinen lämmönsiirrin jätetään laskelmissa huomiotta) Jälkipolttimelle tulevien kaasujen määrät voidaan laskea ohjeessa olevan taulukon pohjalta. Pakokaasut sisältävät jälkipolttimen jälkeen vain vettä, hiilidioksidia, happea ja typpeä. Laskennan alkuarvot saadaan liitteenä olevasta Convion Ltd:n prosessikaavion mittauksista, jonka mukaan Metaanin syöttö on 3,7 Nm³/tunnissa (normikuutiometriä tunnissa) 3
Ilman syöttö on38 Nm³/tunnissa, T = 24,3 C Poistuvien pakokaasujen lämpötila T = 246,5 C Tuotettu sähkö on P = 23, kw tasavirtaa / 8,9 kw vaihtovirtaa Laskelmissa ei lasketa koko prosessin kaikkia komponentteja läpi, koska tarvittavia tietoja ei kaikista komponenteista ole saatavilla. Laskelmista pitää kuitenkin käydä ilmi:. Syötetty polttoaineteho 2. Polttokennon ilmakerroin 3. Prosessin sähköntuotannon hyötysuhde (tuotettu nettosähköteho/tuotu polttoaineteho sekä tasavirralle että vaihtovirralle) 4. Polttokennosysteemin kokonaislämpöhäviöt ja DC/AC muuntimen lämpöhäviöt 5. Polttokennon kokonaisjännite, yhden yksikkökennon kennojännite sekä polttokennosta saatava sähkövirta, kun yksikkökennoja oletetaan olevan sarjassa N =00 kpl. 6. Jälkipolttimen yhteydessä olevan ilman esilämmittimen lämpöteho. 7. Poistuvien pakokaasujen savukaasuhäviöt (perustuen pakokaasun mitattuun lämpötilaan ja laskettuun moolivirtaan 8. Syöttöilman lämpötila esilämmittimen jälkeen 9. Syöttöilman aiheuttama jäähdytysteho polttokennomodulissa Mieti prosessikaaviosta saatavien mittausarvojen yhtenäisyyttä. Mitä voit sanoa esimerkiksi prosessikaaviossa olevasta mitatun pakokaasun määrästä suhteessa ilmamäärään ja syötettyyn metaanimäärään? Ovatko prosessin mittauksista saatavissa olevat mittausarvot mielestäsi kaikki yhtä tarkkoja vai onko tarkkuudessa eroja? Perustele. Vapaaehtoisia laskelmia ja pohdintoja: Laske miten prosessin kokonaishyötysuhde muuttuu, jos pakokaasuja voidaan hyödyntää lämmön talteenottolämmönsiirtimellä, jossa pakokaasut jäähtyvät eri lämpötiloihin. Pohdiskele näin saatavilla olevan lämmön erilaisia hyödyntämismahdollisuuksia. Arvioi esireformerin toimintaa ja lämpötilatasoa lähtien oletuksesta, että noin 0% laitteistoon syötettävästä metaanista reformoidaan esireformerissa. Esireformeriin kierrätetään anodilta tulevaa kaasua siten että kierrätyskaasun moolivirran suhde tuoreeseen syötettävään metaaniin on 4,3. 4
3.4 Polttokennon käyttö ja tarvittavat luvat Polttokenno ei ole vielä jokapäiväistä tekniikkaa. Pohdi ja selvitä polttokennolaitteiston käyttöön liittyviä käytännön kysymyksiä, kuten. Minkälaisia lupia tarvitaan SOFC järjestelmän käyttämiseen? Voidaanko sitä käyttää yksityistalouksissa ilman huomattavaa kouluttautumista? Vaikuttaako kennon nimellisteho tarvittaviin lupiin? Kuka myöntää luvat? 2. Miten polttokennossa tuotettu sähkö voidaan siirtää tarvittaessa yleiseen sähköverkkoon? Mitä laitteita ja lupia tähän tarvitaan? Kuka myöntää luvat? Vapaaehtoisia kysymyksiä, joissa voit pohtia polttokennon käyttöä laajemmin myös yhteiskunnan kannalta:. Mikä on tariffipolitiikka Suomessa kotitaloudessa polttokennolla tuotetulle sähkölle. Paljonko sähköstä maksetaan? Vaikuttaako tuotantotapa ja mahdollinen uusiutuvien polttoaineiden käyttö asiaan? 2. Kotimaisen energian käyttömahdollisuudet ja huoltovarmuus 3. Bioenergian käyttö polttokennossa ja Suomen velvoitteet kansainvälisissä ilmastosopimuksissa 4. Polttokennoprosessiin mahdollisesti liittyvät onnettomuusriskit 4. Polttokennon toiminnasta 4. Johdanto Tavanomaisessa polttoreaktiossa happi yhtyy polttoaineeseen vapauttaen lämpöarvon mukaisen lämpömäärän, jonka ansiosta palokaasuilla on paloreaktion jälkeen erittäin korkea lämpötila. Polttokennoissa polttoaine yhtyy happeen katalyytin aikaansaamassa sähkökemiallisessa reaktiossa, jonka 5
lopputuotteena on sähkövirtaa, lämpöä ja reaktion lopputuotteita kuten H 2 O ja CO 2. Reaktion lämpötila vaihtelee voimakkaasti, riippuen polttokennon tyypistä. Matalissa lämpötiloissa (jopa huoneen lämpötilassa) toimivia kennoja ovat alkaaliset polttokennot (AFC) ja PEM kennot (Polymer Electrolyte Membrane). Keskilämpötiloissa toimivat fosforihappokennot PAFC) ja korkeissa lämpötiloissa sulakarbonaatti (MCFC) ja kiinteäoksidikennot (SOFC). Polttokennoja nimetään pääsääntöisesti sen mukaan, mikä on kennon elektrolyytti, eli aine, jonka läpi sähkövirta kulkee ioneina kennon sisällä. Kuva. Eri polttokennotyyppien lämpötila alueet, elektrolyytit ja varausta siirtävät ionit 4.2 SOFC polttokennon reaktiot Kiinteäoksidi polttokenno (Solid Oxide Fuel Cell) eli SOFC kenno toimii tyypillisesti 600 000 C:n lämpötilatasolla ja sen polttoaineena toimii usein metaani CH 4, joka hapettuu kokonaisreaktion 6
CH 4 +2O 2 =CO 2 +2H 2 O () mukaan. Palaminen ei kuitenkaan tapahdu tavanomaisena palamisena vaan sähkökemiallisena reaktiona nikkelikatalyytin vaikutuksesta. Varsinaista sähkökemiallista hapettumista varten metaani pitää ensin hajottaa vedyksi ja hiilidioksidiksi. Hajotus tehdään esimerkiksi korkeassa lämpötilassa vesihöyryreformoinnin avulla joka tapahtuu seuraavan reaktion mukaan. CH 4 +H 2 O=CO+3H 2 (2) Näin aikaansaadut kaasut CO ja H 2 reagoivat katalyytin avustuksella polttokennossa. Reaktio tapahtuu elektrolyytin läpi kulkeutuneen negatiivisesti varautuneen happi ionin kanssa, jolloin ulkoiseen virtapiiriin vapautuu elektroneja. 3H 2 +3 O 2 =3H 2 O+6 e (3) CO+O 2 =CO 2 +2e (4) Lopputuotteena saadaan siis vettä ja hiilidioksidia sekä elektroneja, jotka kulkeutuvat ulkoisen virtapiirin kautta katodille jonne syötetään ilmaa, jolloin ilman joukossa oleva happi ionisoituu. 2O 2 +8 e =4 O 2 (5) Reformointi on voimakkaasti endoterminen reaktio, joka sitoo lämpöä, jolloin sitä voidaan hyödyntää polttokennomodulin jäähdyttämisessä. Esimerkiksi 900 C:n lämpötilassa reaktioentalpia on 224 kj/mol. Reformointi tapahtuukin vain pieneltä osalta esireformerissa ja suurin osa SOFC kennon reformoinnista tapahtuu kennossa, jolloin tarvittava jäähdytysilmamäärä vähenee. Jotta kennon virtapiiri olisi suljettu, pitää happi ionien kulkeutua polttokennon sisällä elektrolyytin läpi takaisin anodille. SOFC kennossa eletrolyyttinä on kiinteä happi ioneja O ² johtava keraami. Tavanomainen keraamimateriaali on yttriumilla (8%) seostettu zirkonium oksidi ZrO 2 josta käytetään lyhennettä YSZ. Keraamin pitää olla kaasutiivis ja elektroneja johtamaton, koska 7
sähkövarauksen pitää kulkea sen sisällä siis pelkästään happi ioneina eikä elektroneina. Elektronit aiheuttavat ulkoiseen virtapiiriin sähkövirran, jonka suuruus määräytyy syntyvien elektronien moolimäärän mukaan, Kaavan 2 mukaan yhdestä moolista metaania syntyy mooli hiilimonoksidia CO ja 3 moolia vetyä H 2, jolloin kaavojen 3 ja 4 mukaisesti syntyvien elektronien määrä on 8 moolia hapetettua metaanimoolia kohti. Syntyvä sähkövirta on I= 8 F N ṅ(ch 4 ) tot (6) jossa F on Faradayn vakio = 96480 [As/mol] ja ṅ (CH 4 ) tot on polttokennoon syötettävän metaanin moolivirta ja N on sarjaan kytkettyjen yksikkökennojen lukumäärä. SOFC polttokennon yhden anodi katodi parin välinen jännite on tyypillisesti normaalissa käyttötilanteessa U 0 = 0,6 0,8 V. Jotta jännite saadaan korkeammaksi, kytketään useita elektriodipareja sarjaan. Ulkoiseen virtapiiriin syötettävä kokonaisjännite on siis U=N U 0 (7) ja sähköteho P säh =U I (8) 4.3 SOFC kennon rakenne Polttokenno tehdään kiinteästä keraamirakenteesta siten että sekä polttoaineen että hapen virtauskanavat on muotoiltu rakenteen osaksi. Tällaista rakennetta kutsutaan membraani elektroni rakenteeksi MEA (Membrane Electrode Assembly) jonka periaate näkyy kuvasta 2. MEA rakenteita kytketään päällekkäin sarjaan, jolloin ne muodostavat ns. sandwitch rakenteen josta koko polttokenno koostuu (kuva 3) 8
Kuva 2. SOFC polttokennon membraani elektrodi rakenne (MEA) [] Kuva 3. Tasomaisista MEA rakenteista tehty SOFC polttokenno [] 9
4.4 Polttokennon energiatase Polttokennon kokonaisenergiatase on ṅ (CH 4 ) tot h CH4 +ṅ (i)tot h i =Φ+P säh +ṅ ( pk)tot h pk (9) jossa ṅ (CH 4 ) tot on polttokennoon tulevan metaanin moolivirta, h CH 4 metaanin standardientalpia (kemiallinen entalpia), ṅ (i )tot tulevan ilman moolivirta ja h i tulevan ilman standardientalpia. Φ on polttokennosta poistuva lämpövirta, P säh =UI poistuva teho (sähköteho), ṅ (pk)tot poistuvien pakokaasujen moolivirta ja h pk niiden standardientalpia. P säh =UI ṅ (CH 4 ) tot h CH 4 ṅ (pk)tot h pk ṅ (i )tot h i Φ Kuva 4. Polttokennosysteemin kokonaisenergiatase
Energiataseen avulla voi helposti laskea mitkä ovat polttokennon (lämpö)häviöt, kun ainevirtojen moolivirrat, niiden standardientalpiat ja kennosta saatava sähköteho tiedetään. Polttokennon hyötysuhde voidaan määritellä usealla eri tavalla. Usein sähkötehoa verrataan polttoaineen alempaan lämpöarvoon. Polttokennosysteemiin polttoaineen mukana syötettävä polttoaineteho on Φ pa =ṅ pa q (0) jossa ṅ pa on polttoaineen moolivirta [mol/s] ja q polttoaineen alempi lämpöarvo [kj/mol]. Kun ulkoiseen virtapiiriin saatava sähköteho on P = UI, on polttokennon hyötysuhde polttoaineen alemman lämpöarvon mukaan η= UI Φ pa () 4.5 Polttokennon molekyylitase ja ilmakerroin Polttokennoon syötetään metaania ja ilmaa. Kun oletetaan että hapettumisreaktio on täydellinen ja ilmassa on 79% typpeä, on kokonaisreaktio stökiömetriselle hapettumiselle CH 4 +2O 2 +7,54 N 2 =CO 2 +2H 2 O+7,54 N 2 (2) Täydellisen hapettumisen tapauksessa polttokennoon syötettyjen kaasujen moolimäärän pitäisi olla siis sama kuin sieltä poistuvien kaasujen moolimäärän. Yhtä metaanimoolia kohden tarvitaan stökiömetrisessä tapauksessa siis 9,54 moolia ilmaa jolloin poistuvan savukaasun määrä on 0,54 moolia. Polttokennoa käytetään yleensä huomattavasti suuremmalla ilmamäärällä, koska ilma toimii myös kennon jäähdyttimenä. Ilmakerroin määritellään todellisen ilman moolivirran ja stökiömetriseen palamiseen tarvittavan ilman moolivirran suhteena
λ= ṅtod ṅ stö (3) Kun otetaan ilmakerroin huomioon, on polttokennon reaktioyhtälö CH 4 +λ(2o 2 +7,54 N 2 )=CO 2 +2H 2 O+(λ )2O 2 +λ 7,54 N 2 (4) Polttokennoon syötettävä ilmamäärä ilmoitetaan joskus normikuutiometreissä. Tämä tarkoittaa siis ilman tilavuutta standardiolosuhteissa, jossa lämpötila T = 0 C ja paine p = bar. Moolitilavuuden saa laskettua ideaalikaasun tilanyhtälön avulla V m = V n = RT p (5) Kun tiedetään tilavuusvirta normikuutiometreissä saa moolivirran laskettua tilavuusvirran ja moolitilavuuden avulla ṅ= V V m (6) 4.6 Pakokaasujen lämmön talteenotto Polttokennon läpi virranneet kaasut ovat kuumia, jolloin niiden sisältämää lämpöenergiaa voidaan kennon jälkeen vielä hyödyntää. Lisäksi anodilta poistuva pakokaasu sisältää jonkin verran vetyä ja metaania, jotka voidaan polttaa jälkipolttimessa. Polttokennon anodilta poistuva kaasu kierrätetään esireformerille, jossa se sekoitetaan tulevaan metaaniin esireformointia varten. Osa kaasusta virtaa kuitenkin suoraan jälkipolttimelle, jossa se poltetaan katodilta tulevan ilman avulla. Pakokaasut jäähtyvät syöttöilman esilämmittimessä ja lopulta virtaavat ulos. Anodilta jälkipolttimelle tulevan kaasun koostumus arvioidaan lähteessä [2] olevan taulukon pohjalta. Tulokseksi saadaan pitoisuudet
CH 4 = 3, % H 2 = 8,4% CO = 4,8 % H 2 O = 56,2 % CO 2 = 27,5 % Jälkipolttimessa kaasuseoksen vety ja hiili poltetaan vedeksi ja hiilidioksidiksi jonka jälkeen pakokaasut jäähtyvät lämmönsiirtimessä lämmittäen polttokennolle virtaavaa kylmää syöttöilmaa. Tällaisen systeemin energiatase kuvan 5 mukainen. Kuvassa Φ on lämmönsiirtimen kautta kuumista kaasuista syöttöilmaan siirtynyt lämpöteho. Kuumien kaasujen energiatase on siis kuvan 6 mukainen. Kaasuseos palaa vedeksi ja hiilidioksidiksi ilmakertoimella λ, jolloin poistuvan kaasuseoksen koostumus on kaavan 4 oikean puolen mukainen. Varsinaiseen jälkipolttimen palamiseen osallistuu sisään tuleva happivirta ṅ O2 kun taas ilmakertoimesta johtuva ylimääräinen happivirta ṅ ( λ )O2 virtaa reagoimatta jälkipolttimen läpi. syöttöilma Σ(ṅh) sisään Σ(ṅ h) ulos Φ Kuva 5. Jälkipoltin + lämmönsiirrin
sisään ṅ CH 4 h CH4 ṅ H 2 h H 2 ulos ṅ (H 2 O) tot h H 2 O ṅ CO h CO ṅ (CO2 ) tot h CO2 ṅ H 2 O h H 2 O ṅ CO 2 h CO2 ṅ (λ )O 2 h O2 ṅ O2 h O2 ṅ N2 h N 2 ṅ (λ )O 2 h O2 ṅ N2 h N 2 Φ=Σ(ṅ h) sisään Σ(ṅ h) ulos Kuva 6. Jälkipoltin lämmönsiirrin yhdistelmän kuumien kaasujen energiatase Jälkipolttimen syöttökaasuissa oleva hiili C palaa hiilidioksidiksi ja vety H 2 vedeksi. Stökiömetrisen palamisen mukaisesti tulevien hiiltä sisältävien kaasujen ja poistuvan hiilidioksidin moolivirrat riippuvat toisistaan seuraavasti ṅ CH4 + 2 ṅco+ṅ CO2 =ṅ (CO2 ) tot (7 jossa alaindeksi tot tarkoittaa koko polttokennosysteemin hapetusreaktion kokonaistaseen mukaista moolivirtaa. Vastaavasti vedylle on voimassa
2ṅ CH 4 + 2 ṅ H 2 +ṅ H2 O=ṅ (H 2 O) tot (8) Happea näihin reaktioihin kuluu ṅ O2 =2 ṅ CH4 + 2 ṅh 2 + 2 ṅco (9) Reaktioyhtälöstä 2 voi päätellä että koko polttokennosysteemistä poistuvat moolivirrat hiilidioksidille ja vedelle ovat ṅ (CO2 ) tot =ṅ (CH 4 ) tot (20) ṅ ( H 2 O) tot =2ṅ (CH4 ) tot (2) Yhtä syötettyä metaanimoolia kohden on koko systeemistä poistettava mooli hiilidioksidia ja 2 moolia vettä. Kaavojen 2...2 avulla saadaan laskettua anodilta tulevan syöttökaasun määrä yhtä kulutettua metaanimoolia n (CH 4 ) tot kohden. Seuraavassa taulukossa on esitetty jälkipolttimeen tulevien ja sieltä lähtevien kaasujen moolimäärät kun metaanin kokonaiskulutus polttokennosysteemissä on mooli. Kun polttokennosysteemiin syötettävän metaanin moolivirta ṅ (CH 4 ) tot tiedetään ja ilmakerroin tiedetään, saadaan kertomalla taulukon kaasujen moolimäärät syötettävän metaanin moolivirralla selville jälkipolttimelle tulevat ja lähtevät todelliset kaasumäärät. Kun moolivirrat ovat tiedossa on jälkipoltin + lämmönsiirrin systeemin energiatase Σ(ṅh) sisään =Φ+Σ(ṅ h) ulos (22) helposti laskettavissa. esimerkiksi lähteestä [3] Standardientalpiat (kemialliset entalpiat) saadaan
Taulukko. SOFC polttokennon jälkipolttimelle tulevat ja lähtevät kaasut yhtä polttokennosysteemiin syötettyä metaanimoolia kohden Kaasu Tulevat kaasut mol / mol n (CH 4 ) tot CH 4 0,088 H 2 0,236 CO 0,35 H 2 O,587 CO 2 0,777 O 2 0,362 + 2( λ ) N 2 7,54 λ Lähtevät kaasut CO 2 H 2 O 2 O 2 2( λ ) N 2 7,54 λ 4.7 Lämmönsiirrin Lämmönsiirtimessä kuumista kaasuista pois siirtynyt lämpövirta siirtyy syöttöilmaan, joka lämpenee. Kun tunnetaan syöttöilman massavirta voidaan sen lämpeneminen laskea tunnetusti kaavalla Φ=ṁ i c pi Δ T i (23) jossa ṁ i on ilman massavirta, c pi ilman keskimääräinen ominaislämpö ja Δ T i ilman lämpötilan nousu.
Näin lämmennyt ilma virtaa polttokennoon, jossa se lämpenee ja samalla jäähdyttää polttokennoa. Pakokaasut ovat lämmönsiirtimestä poistuessaan vielä kuumia, joten niiden hyödyntäminen ylimääräisellä lämmön talteenotolla on mahdollista. Lähteet:. Robert J. Kee & al, Combustion. Sci. and Tech., 80, 207 244, 2008, 2. R. Peters & al, Journal of Power Sources, 86, 432 44, 2000 3. Markku J. Lampinen, Kemiallinen termodynamiikka energiatekniikassa, Edita Prima 200 LIITTEET: Convionilta saadut prosessiarvot ja kaavio