مدلسازی سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و سیکل رانکین تغذیه شده با گاز سنتز

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ایلام، ایلام

2 دانشیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ایلام، ایلام

چکیده

در این مطالعه یک پیل سوختی اکسید جامد تغذیه شده با گاز سنتز حاصل از پساب صنعتی که با یک سیکل تولید توان رنکین ترکیب شده است، با استفاده از روابط ترمودینامیکی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. ابتدا به صورت مستقل پیل سوختی اکسید جامد شبیه سازی و کمیت­های مانند ولتاژ خروجی، چگالی جریان و توان خروجی پیل سوختی محاسبه شد. سپس سیکل توان ترکیب شده با پیل سوختی اکسید جامد مجهز به توربین گازی با توجه به نتایج حاصل از شبیه­سازی پیل سوختی تحلیل ترمودینامیکی شد. در پژوهش حاضر ولتاژ پیل سوختی به صورت تابعی از چگالی جریان گزارش شد و اثر افزایش دما و فشار روی آن مورد بررسی قرار گرفت. تحلیل این سیستم نشان داد که با افزایش دما و فشار ولتاژ خروجی پیل سوختی اکسید جامد افزایش می­یابد. تغییرات توان خروجی تولیدی پیل سوختی در مقابل چگالی جریان در سه دمای عملیاتی 1073، 1173 و 1273 کلوین نیز محاسبه شد، نتایج نشان داد که با افزایش دما توان پیل سوختی نیز روند افزایشی دارد. همچنین راندمان کلی سیستم هیبریدی با افزایش دمای عملیاتی پیل سوختی اکسید جامد نیز افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling of hybrid system of solid oxide fuel cell and Rankine cycle fed with synthesis gas

نویسندگان [English]

  • Omid Kohzadi 1
  • Mohsen Mansouri 2
1 MSc, Department of Chemical Engineering, Ilam University, Ilam, Iran
2 Associate Professor, Department of Chemical Engineering, Ilam University, Ilam, Iran
چکیده [English]

In this study, a solid oxide fuel cell fed with synthesis gas derived from industrial waste water was combined with a Rankine power generation cycle was analyzed and investigated using thermodynamic relationships. First, the solid oxide fuel cell was independently simulated and the quantities such as output voltage, current density and output power of the fuel cell were calculated. Then, the power cycle that equipped with a gas turbine combined with a solid oxide fuel cell was investigated according to the output results of the fuel cell simulation using thermodynamic analysis. In current study, fuel cell output voltage as a function of current density was reported, and the effect of temperature and pressure increasing on output fuel cell voltage was reported. The analysis of this system showed that with the increase in temperature and pressure, the output voltage of the solid oxide fuel cell increased. The varation in the output power of the fuel cell against the current density at three operating temperatures of 1073, 1173 and 1273 K were also calculated, the results showed that the power of the fuel cell increases with the increase in temperature. Also, the total efficiency of the hybrid system by increasing in fuel cell operating temperature increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid System
  • Fuel Cell
  • Rankine Cycle
  • Modeling
[1] Andújar, J.M. and Segura, F., “Fuel cells: History and updating. A walk along two centuries”, Renewable and sustainable energy reviews, 13(9), pp. 2309-2322, 2009.
[2] Ghasemi, M., Daud, W.R.W., Hassan, S.H., Oh, S.E., Ismail, M., Rahimnejad, M. and Jahim, J.M., “Nano-structured carbon as electrode material in microbial fuel cells: A comprehensive review”, Journal of Alloys and Compounds, 580, pp. 245-255, 2013.
[3] Larminie, J., Dicks, A. and McDonald, M.S., Chichester, UK: J. Wiley, Fuel cell systems explained, Vol. 2, pp. 207-225, 2003.
[4] Ratlamwala, T.A.H., Thermodynamic Analysis of Integrated Fuel Cell and Solar Energy Systems (Doctoral dissertation), 2011.
[5] رشیدی رنجبر نسرین، پیل سوختی انرژی سبز، اصفهان، انتشارات مرکز تحقیقات مهندسی، ارکان دانش، ۱۳۸0.
[6] EG & G Services, Ralph M., “Parsons Company and Science Applications International Corporation”, Fuel Cell Handbook. DIANE Publishing, 2000.
[7] F. C. Handbook, West Virginia, “USA: EG&G Technical Services, US Dep. Energy, Off. Foss. Energy, Natl”, Energy Technol. Lab. Morgantown, 2000.
[8] Stiller, C., Thorud, B., Bolland, O., Kandepu, R. and Imsland, L., “Control strategy for a solid oxide fuel cell and gas turbine hybrid system”, Journal of power sources, 158(1), pp. 303-315, 2006.
[9] Cho, H., Smith, A.D. and Mago, P., “Combined cooling, heating and power: A review of performance improvement and optimization”, Applied Energy, 136, pp. 168-185, 2014.
[10] Chan, S.H., Ho, H.K. and Tian, Y., “Modelling of simple hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine power plant”, Journal of power sources, 109(1), pp. 111-120, 2002.
[11] Calise, F., d’Accadia, M.D., Palombo, A. and Vanoli, L., “Simulation and exergy analysis of a hybrid solid oxide fuel cell (SOFC)–gas turbine system”, Energy, 31(15), pp. 3278-3299, 2006.
[12] Bang-Møller, C. and Rokni, M., “Thermodynamic performance study of biomass gasification, solid oxide fuel cell and micro gas turbine hybrid systems”, Energy Conversion and Management, 51(11), pp. 2330-2339, 2010.
[13] پیرکندی جاماسب، قاسمی مجید، حامدی محمد حسین، "تحلیل عملکرد ترمودینامیکی یک چرخه هیبری پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گاز در یک سیستم تولید همزمان"، سوخت و احتراق، 4 (2)، صص 67- 89، 1390.
[14] Wongchanapai, S., Iwai, H., Saito, M. and Yoshida, H., “Performance evaluation of a direct-biogas solid oxide fuel cell-micro gas turbine (SOFC-MGT) hybrid combined heat and power (CHP) system”, Journal of Power Sources, 223, pp. 9-17, 2013.
[15] Saebea, D., Magistri, L., Massardo, A. and Arpornwichanop, A., “Cycle analysis of solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid systems integrated ethanol steam reformer: Energy management”, Energy, 127, pp. 743-755, 2017.
[16] Ramírez-Minguela, J.J., Rangel-Hernández, V.H., Alfaro-Ayala, J.A., “Uribe-Ramírez, A.R., Mendoza-Miranda, J.M., Belman-Flores, J.M. and Ruiz-Camacho, B., Energy and entropy study of a SOFC using biogas from different sources considering internal reforming of methane”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 120, pp. 1044-1054, 2018.
[17] Ehyaei, M.A. and Rosen, M.A. “Optimization of a triple cycle based on a solid oxide fuel cell and gas and steam cycles with a multiobjective genetic algorithm and energy, exergy and economic analyses”, Energy Conversion and Management, vol. 180, no. 15, pp. 689-708, 2019.
[18] Habibollahzade, A., Gholamian, E. and Behzadi, A., “Multi-objective optimization and comparative performance analysis of hybrid biomass-based solid oxide fuel cell/solid oxide electrolyzer cell/gas turbine using different gasification agents”, Applied Energy, 233, pp. 985-1002, 2019.
[19] خجسته عفت پناه سعید، "تولید و به کارگیری هیدروژن سبز در یک سیستم انرژی تولید چندگانه مبتنی بر پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز با رویکرد افزایش تولید توان و کاهش نشر CO2"، دانشگاه صنعتی شاهرود، دانشکده مکانیک و مکاترونیک، 1400.
[20] Rowshanzamir, S. and Eikani, M.H., “Autothermal reforming of methane to synthesis gas: Modeling and simulation”, International journal of hydrogen energy, 34(3), pp. 1292-1300, 2009.
[21] Zink, F., Lu, Y. and Schaefer, L., “A solid oxide fuel cell system for buildings”, Energy Conversion and Management, 48(3), pp. 809-818, 2007.
[22] Chan, S.H., Low, C.F. and Ding, O.L., “Energy and exergy analysis of simple solid-oxide fuel-cell power systems”, Journal of power sources, 103(2), pp.188-200, 2002.
[23] Duangthongsuk, W. and Wongwises, S., “Heat transfer enhancement and pressure drop characteristics of TiO2–water nanofluid in a double-tube counter flow heat exchanger”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(7-8), pp. 2059-2067, 2009.
[24] Desai, N. B., & Bandyopadhyay, S., “Process integration of organic Rankine cycle”, Energy, 34(10), pp. 1674-1686, 2009.
[25] Akkaya, A.V., Sahin, B. and Erdem, H.H., “Thermodynamic model for exergetic performance of a tubular SOFC module”, Renewable energy, 34(7), pp. 1863-1870, 2009.
[26] J. A. Ciesar, “Hybrid Systems Development by the Siemens Westinghouse Power Corporation,” Presented by Siemens Westinghouse Power Corporation, Natural Gas/Renewable Energy Hybrids Workshop, August 2001.