سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مدلسازی پیل سوختی اکسید جامد صفحه ای برای سیستم­ های ترکیبی گرما و الکتریسته

نویسندگان
پژمان کاظم پور
فتح اله امی
دانشکده فنی و مهندسی، بخش مهندسی مکانیک،دانشگاه تربیت مدرس،تهران،ایران
چکیده
در این مقاله مدل تفصیلی از پیل سوختی اکسید جامد صفحه­ ای (SOFC)ارایه می­ شود که به طور ویژه برای ارزیابی عملکرد این پیل سوختی در سیستم ­های ترکیبی گرما و الکتریسته توسعه یافته است. مدل توسعه یافته شامل تحلیل جرمی، ممنتوم، گرمایی و الکتروشیمیایی به همراه مدل­های سینتیک واکنش­های هیدروکربن است. مدل الکتروشیمیایی ارزیابی کامل هر سه تلفات اهمی، فعال­سازی و غلظت را شامل می ­شود. به منظور افزایش دقت مدل؛ واکنش­های تبدیل متان و شیفت آب- گاز، پنج لایه دمایی، مدل انتقال گرمای تشعشعی و ویژگی­ های مواد متغیر با دما در مدل به کار گرفته شده است. مدل بر اساس مقادیر عددی و تجربی موجود برای یک پیل سوختی دما بالا با تبدیل داخلی سوخت معتبرسازی شده است که نشان از توانایی و دقت بالای مدل برای پیش­گویی عملکرد این نوع پیل سوختی را دارد. سرانجام، به منظور ارزیابی تاثیر متغیرهای اساسی، تحلیل حساسیت بر روی متغیرهای فاکتور مصرف سوخت و نرخ هوای اضافی انجام شده است.

تازه های تحقیق

مدل­های به کار رفته برای تحلیل سیستم SOFC معمولا به صورت جعبه سیاه بوده، بنابراین تنها می­توانند مشخصات کلی       از سیستم را نشان بدهند. تحلیل دقیق سیستم­های SOFC نیازمند مدل­هایی با دقت زیاد اما سرعت بالاست که از یک طرف بتوانند جزییات را با دقت بالا نشان دهند و از طرف دیگر بتوان تعداد زیادی متغیر را با آن­ها بررسی کرد. با توجه به این موضوع، با در نظر گرفتن معادلات بقای جرم، انرژی و شکل ساده شده معادله­ی بقای ممنتوم به همراه معادلات الکتروشیمیایی و سینتیک واکنش سوخت، در این تحقیق یک مدل تفصیلی به منظور مدل­سازی استکSOFC  ارایه شد. در مدل­سازی انجام شده سعی شد که فرایندهای فیزیکی با دقت بیش­تری در مقایسه با تحقیقات مشابه انجام شود که از آن جمله می­توان به تحلیل دقیق­تر انتقال گرما، تعیین ویژگی­های دقیق مواد با تغییر دما و تحلیل دقیق الکتروشیمیایی اشاره کرد. مدل حاضر با استفاده از نتایج تجربی و عددی معتبر سازی شد که در تمامی موارد، دقت­های به دست آمده در دامنه مورد نظر بوده و دلیل وجود اختلاف اندک نیز اشاره شد که مهم­ترین آن­ها استفاده از مدل تشعشع، تحلیل دقیق الکتروشیمیایی و قابلیت­های به کار رفته در شبیه سازی در مدل حاضر بود. به منظور نشان دادن جنبه­ای از قابلیت­های مدل دو نمونه از تحلیل حساسیت بر روی متغیرهای نرخ هوای اضافی و مصرف سوخت انجام و مقدار بهینه برای آن­ها انتخاب شد.

در حال حاضر، مدل ارایه شده در این تحقیق جانشین مدل قبلی به کار رفته در پروژه بین المللی]24[ IEA Annex 42 برای بررسی عملکرد سیستم SOFC برای مصارف خانگی شده است]25[. لازم به ذکر است که مدل قبلی به کار رفته، یک مدل جعبه سیاه بوده است که اطلاعات تجربی به عنوان ورودی به این مدل لازم است.

 

کلیدواژه‌ها
پیل سوختی اکسید جامد
حجم کنترل
مدل­سازی سیستم
تلفات ولتاژ

عنوان مقاله English

Modeling a Planar Solid Oxide Fuel Cell for Combined Heat and Power Systems

نویسندگان English

pezhman Kazempoor
Fattolah Ommi
Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English


The paper presents a detailed solid oxide fuel cell (SOFC) model that is specifically developed for the performance evaluation of planar SOFC stacks in combined heat and power (CHP) systems. The developed model includes the mass, momentum, thermal and electrochemical analysis, as well as the kinetic models of hydrocarbon reactions. The electrochemical model includes a complete evaluation of ohmic, activation and diffusion polarisations. To increase the accuracy of the model; methane reforming and water-gas shift reactions, several layers of temperature, radiation heat transfer model and material temperature dependent property are also applied to the model. The model is also validated with available numerical and experimental data for a high temperature SOFC with internal reforming, showing the capacity to accurately predict its operating conditions. Finally, sensitivity analyses on fuel utilization factor and on air excess ratio are performed to investigate the effects of different key parameters.

کلیدواژه‌ها English

Solid oxide fuel cell
Control volume
System modeling
Voltage polarization
1.     Williams, M. C., Strakey, J. P., and Singhal, S. C., “U.S. Distributed Generation Fuel Cell Program,” Journal of Power Sources, 131, no. 1-2, pp. 79-85, 2004.
2.     Calise, F., D’Accadia, M. D., Palombo, A., and Vanoli, L., “Simulation and Exergy Analysis of a Hybrid Solid Oxide Fuel Fell (SOFC)-Fas Turbine System,” Energy, 31, 2006.
3.     Chan, S. H., Khor, K. A., and Xia, Z. T., “A Complete Polarization Model of a Solid Oxide Fuel Cell and its Sensitivity to the Change of Cell Component Thickness,” Journal of Power Sources, 93, no. 1-2, pp. 130-140, 2001.
4.     Selimovic, A., “Modelling of Solid Oxide Fuel Cells Applied to the Analysis of Integrated Systems with Gas Turbines,” Sweden, PhD Thesis, 2002.
5.     Campanari S., and Iora, P., “Definition and Sensitivity Analysis of a Finite Volume SOFC Model for a Tubular Cell Geometry,” Journal of Power Sources, no. 1-2, pp. 113-126, 2004.
6.     Aguiar, P., Adjiman, C. S., and Brandon, N. P., “Anode-Supported Intermediate-Temperature Direct Internal Reforming Solid Oxide Fuel Cell: II. Model-Based Dynamic Performance and Control,” Journal of Power Sources, 147, no. 1-2, pp. 136-147, 2005.
7.     Nagel, F. P., Schildhauer, T. J., Biollaz, S. M. A., and Wokaun, A., “Performance Comparison of Planar, Tubular and Delta8 Solid Oxide Fuel Cells Using a Generalized Finite Volume Model,” Journal of Power Sources, 184, no. 1, pp. 143-164, 2008.
8.     Braun, R. J., “Optimal Design and Operation of Solid Oxide Fuel Cell Systems for Small-Scale Stationary Applications,” PhD Thesis, 2002.
9.     Ozgur Coplan, C., Dincer, A. and Hamdullahpur, F., “A Review on Macro-Level Modeling of Planar Solid Oxide Fuel Cells,” International Journal of Energy Research, 32, no. 4, pp. 336-355, 2008.
10.  Pacheco, E. H., Sing, D., Hutton, F. N., Patel, N., and Mann, M. D., “A Macro-Level Model for Determining the Performance Characteristics of Solid Oxide Fuel Cells,” Journal of Power Sources, 138, no. 1-2, pp. 174-186, 2004.
11.  Palsson, J., “Thermodynamic Modeling and Performance of Combined Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine Systems,” Sweden, PhD Thesis, 2002.
12.  Finkenrath, M., “Simulation und Analyse des Dynamischen Verhaltens Von Kraftwerken Mit Oxidkeramischer Brennstoffzelle (SOFC),” Julich, PhD Thesis, 2005.
13.  Stiller, C., “Design Operation and Control Modeling of SOFC/GT Hybrid Systems,” PhD Thesis, Trondheim, Norway, 2006.
14.  Bove R., and Ubertini, S., Modeling Solid Oxide Fuel Cells: Methods, Procedures and Techniques, Springer, 2008.
15.  Bossel, U. G., “Annex II: Modeling & Evaluation of Advanced SOFC, Final Report on SOFC Data; Facts & Figures,” Berne, April,1992.
16.  Achenbach E., and Riensche, E., “Methane/Steam Reforming Kinetics for Solid Oxide Fuel Cells,” Journal of Power Sources, 52, No. 2, pp. 283-288, 1994.
17.  Leinfelder, P., “Reaktionskinetische Untersuchungen zur Methan-Dampf-Reformierung und Shift-Reaktion an Anoden Oxidkeramischer Brennstoffzellen,” Erlangen-Nurnberg, Germany, 2004.
18.  Xi, H., “Dynamic Modeling and Control of Planar SOFC Power Systems,” PhD thesis, 2007.
19.  Yuan, J., Rokni, M., and Sunden, B., “Simulation of Fully Developed Laminar Heat and Mass Transfer in Fuel Cell Ducts with Different Cross Sections,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 46, no. 5, pp. 809-821, 2003.
20.  Kee, R. J., Korada, P., Walters, K., and Pavol, M., “A Generalized Model of the Flow Distribution in Channel Networks of Planar Fuel Cells,” Journal of Power Sources, 109, no. 1, pp. 148-159, 2002.
21.  Poling, B. E., Prausnitz, J. M., and O’Connell, J. P., The Properties of Gases and Liquids, 5th ed., McGraw-Hill, 2004.
22.  http://fchart.com/
23.  Achenbach, E., “Annex II: Modelling and Evaluation of Advanced Solid Oxide Fuel Cells,” IEA Program on R&D on Advanced Fuel Cells, Forschungszentrum Julich, Germany, Final Report of Activity A2, 1996.
24.  Kelly, N., and Beausoleil-Morrison, I., Specifications for Modelling Fuel Cell and Combustion-Based Residential Cogeneration Ddevices Within Whole-Building Simulation Programs, IEA ECBCS Annex 42 report, ISBN 978-0-662-47116-5, 2007.
25.  Kazempoor, p., Dorer, V., and Ommi, F., “General Stack Model for Building Integrated SOFC System,” 6th Symposium on Fuel Cell Modeling and Experimental Validation, Karlsruhe, Germany, 2009.