بخشی از مقاله
چکیده -
هدف این مقاله تحلیل و مقایسه عملکرد ترمودینامیکی دو سیستم تولید توان مجهز به پیل سوختی اکسید جامد با دو نوع سوخت متفاوت هیدروژن و متان میباشد. با مطالعه پارامتریک تاثیر پارامترهای کلیدی روی توان الکتریکی، بازدههای انرژی و اگزرژی بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان میدهد که با استفاده از هیدروژن به جای متان ماکزیمم توان الکتریکی خالص حدود 251/8 کیلووات در چگالی جریان5556 آمپر بر متر مربع بهدست میآید.
-1 مقدمه
رو به اتمام بودن سوختهای فسیلی در آینده نزدیک و توجه روزافزون به حفاظت از منابع انرژی، توجه جهانیان را به خود جلب نموده است. از این رو دانشمندان طی سالهای اخیر درصدد تولید برق با روشهای گوناگونی مانند استفاده از انرژی خورشیدی، انرژی باد، پیلهای سوختی، زمین گرمایی، میکروتوربینها و دیزل ژنراتورها میباشند
از جمله روش-های جدید تولید برق، انرژی استفاده از پیل سوختی است که به دلیل بازدهی بالا و عدم آلایندگی محیط زیست در حال حاضر یکی از مناسبترین گزینهها برای جایگزینی سوختهای فسیلی است. از دیگر مزایای پیل سوختی کاهش آلودگی صوتی بهدلیل عدم بکارگیری قطعات مکانیکی متحرک در ساختمان آن است . پیل سوختی نوعی پیل الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنش رامستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
سازه و بدنه اصلی پیل سوختی نیز از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. پیل سوختی بر اساس الکترولیت به کار رفته در آن، به چند دسته تقسیم میشود که یکی از این دستهها پیل سوختی اکسید جامد - Solid Oxide Fuel Cell - که با داشتن بازدهی و دوام عمر بالا، دمای کارکرد بالایی دارد. در نتیجه دمای کارکرد بالا، گازهای خروجی از این پیل سوختی آن را با دمای بالایی ترک میکنند.
مطالعه تحقیقات گذشته نشان میدهد که در سالهای اخیر پژوهشگران متعددی بر روی سیستمهای تولید توان مجهز به پیل سوختی اکسید جامد کار کردهاند.
شیرازی و همکاران [3] تحلیل اقتصادی و گرمایی و زیست محیطی را برای سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد- توربین گاز انجام دادند. نتایج بهینه سازی نشان میدهد که بازده اگزرژی 65/60% به دست میآید.
خانی و همکاران [4] بهینه سازی چند هدفه سیستم تولید همزمان غیر مستقیم یکپارچه پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز را انجام دادند. نتایج نشان میدهد که در طراحی بهینه نهایی بازده اگزرژی 55/11% به دست میآید.
چیتساز و همکاران [5] تحلیل انرژی و اگزرژی را برای سیستم تولید سهگانه بر پایه پیل سوختی اکسید جامد انجام دادند. نتایج بهدست آمده نشان میدهد که بازده اگزرژی سیستم سه گانه حدود 47% برآورد میشود. بزرگترین انهدام اگزرژی در مبدل حرارتی هوا، SOFC و پسسوز اتفاق میافتد.
پیرکندی و همکاران [6] عملکرد ترمودینامیکی یک چرخه هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گازی را در یک سیستم تولید همزمان تحلیل کردند. نتایج نشان داده شده نشانگر افزایش بازده سیستم هیبریدی در اثر افزایش دما و فشار کاری پیل تا حدود 80% است.
پیرکندی و همکاران [7] عملکرد یک واحد تولید توان متشکل از یک میکروتوربین گازی و یک پیل سوختی اکسید جامد را با کارکرد در فشار اتمسفریک را تحلیل و بررسی کردند. بررسی عملکرد سیستم ترکیبی نشان میدهد که افزایش فشار کاری سیستم و نسبت هوا به سوخت ورودی به آن به دلیل کاهش دمای پیل، سبب افت راندمان الکتریکی و همچنین افزایش قیمت برق تولیدی در آن میگردد.
هدف از ارائه این مقاله معرفی و مقایسه دو سیستم تولید توان با پیل سوختی اکسید جامد با دو نوع سوخت متفاوت هیدروژن و متان میباشد. تحلیل انرژی و اگزرژی برای محاسبه عملکرد دو سیستم معرفی شده بهکار رفته است و مطالعه پارامتری برای تعیین تاثیر پارامترهای کلیدی روی عملکرد کلی دو سیستم تولید توان، انجام شده است.
-2 توصیف سیستم و فرضیات
-1-2 طرحواره سیستم
طرحواره دو سیستم پیشنهادی که در این تحقیق مطالعه شده در شکل 1 - الف-ب - نشان داده شده است. سیستم پیشنهادی - الف - شامل یک توده پیل سوختی اکسید جامد با بهسازی داخلی، محفظه پسسوز، کمپرسور هوا، کمپرسور سوخت، پمپ آب و سه بازیاب است. سوخت به کار رفته برای سیستم پیشنهادی - الف - متان با ترکیب 97 درصد متان، 1/5 درصد دیاکسید کربن و 1/5 درصد نیتروژن و برای سیستم پیشنهادی - ب - هیدروژن با ترکیب 89 درصد هیدروژن و 11 درصد آب میباشد.
شکل :1 طرحواره سیستم پیشنهادی - الف - سوخت متان - ب - سوخت هیدروژن
هوا و سوخت به کار رفته در سیستم ابتدا به وسیله کمپرسورهایی متراکم شده و در ادامه مسیر، با عبور از دو بازیاب هوا و سوخت، گرم شده و وارد پیل میشوند. برای سیستم - الف - سوخت متان پس از ورود به پیل سوختی در بخش آند بهسازی شده و هیدروژن خالص از آن پدید میآید. هیدروژن به دست آمده از دو سوخت متان و هیدروژن با اکسیژن موجود در هوا که از بازیاب دیگری گذشته و وارد پیل سوختی شده واکنش می-دهد. واکنش هیدروژن با اکسیژن در پیل توان الکتریکی قابل ملاحظهای ایجاد میکند که باعث افزایش بازده سیستم هیبریدی میشود. گازهای خروجی از پیل سوختی که در واکنش بهسازی به کار نیامدند وارد محفظه پسسوز شده و باهم واکنش میدهند. سپس محصولات خروجی از محفظه پسسوز برای گرم کردن دو بازیاب هوا و سوخت استفاده میشود.
-2-2 فرضیات
در مدلسازی و تحلیل سیستم ترکیبی فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
- ترکیب هوای به کار رفته شامل 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن در نظر گرفته شده است.
- دمای گازهای خروجی آند و کاتد یکسان فرض شده است.
- از تغییرات انرژیهای جنبشی و پتانسیل صرفنظر شده است.
- همه گازها به عنوان گاز ایدهال در نظر گرفته شدهاند و نشت گاز نادیده گرفته میشود.
- از توزیع دما، فشار و اجزای شیمیایی درون پیل صرفنظر شده است.
- فرآیندها در شرایط پایا انجام شده است.
- هیچیک از اجزای سیستم با محیط تبادل گرمایی ندارند.
-3 تحلیل و مدلسازی
-1-3 دادههای ورودی
دادههای ورودی به کار رفته در این تحلیل در جدول 1 نشان داده میشود.
جدول-1 دادههای ورودی
- اختلاف دما مابین ورودی و خروجی استک 100K
- ضریب مصرف سوخت 0/85
- مساحت سطح فعال 0/01m2
- چگالی جریان مبنا 6000 A/m2
- بازده تبدیل DC-AC 0/97
- دمای ورودی مبنا SOFC 1000K
- چگالی جریان تبادل آند 6500 A/m2
- چگالی جریان تبادل کاتد 2500 A/m2
- ضریب پخش موثر گاز از طریق آند 0/2×10-4 m2/s
- ضریب پخش موثر گاز از طریق کاتد 0/05×10-4 m2/s
- ضخامت آند 0/05×10-2 m
- ضخامت کاتد 0/005×10-2 m
- ضخامت الکترولیت 0/001×10-2 m
- ضخامت اتصالدهنده 0/3×10-2 m
- تعداد پیلها 11000
- افت فشار استک %2
- بازده ایزونتروپیک کمپرسور سوخت %85
- بازده ایزونتروپیک کمپرسور هوا %85
بطوریکه واکنشهای الکتروشیمیایی در استک پیل سوختی مورد توجه است به علت اینکه عملکرد آن به پارامترهای مختلفی نظیر دمای عمل پیل، فشار، ترکیب گاز، پارامترهای هندسی پیل، پارامترهای الکتروشیمیایی و چگالی جریان بستگی دارد. در یک پیل منفرد، واکنش الکتروشیمیایی توسط معادله - 1 - اتفاق میافتد.[8]
برای نرخ تبدیل مولی داده شده Zr برای این واکنش، ثابت تعادلی برای واکنش دگرگونی به صورت زیر نوشته میشود:
چگالی جریان پارامتر کلیدی در عملکرد استک است. چگالی جریان تابعی از مقدار هیدروژن واکنش داده شده است و توسط قانون فارادی بیان میشود:
به طوریکه AC سطح فعال پیل، Nc تعداد پیلها در استک، F ثابت فارادی و ne تعداد الکترونهای تولید شده بر مول هیدروژن است. با استفاده از ضریب مصرف سوخت Uf، مقدار هیدروژن واکنش داده شده در واکنش الکتروشیمیایی به صورت زیر محاسبه میشود:
بازده احتراق پسسوز %99
افت فشار مبدلهای حرارتی %3
افت فشار پسسوز %5
-2-3 مدلسازی SOFC
توان الکتریکی تولید شده توسط استک زیر بیان میشود:
در این معادله، Vc ولتاژ پیل است :
برای سیستم SOFC هم ریفورمر داخلی و هم ریفورمر خارجی را میتوان به کار برد. در کار حاضر ریفورمر داخلی در نظر گرفته شده است که نسبت به ریفورمر خارجی ارزانتر است و همچنین وابستگی پیل سوختی به سیستم خنککن را کاهش میدهد. استک SOFC شامل مجموعهای از پیلهای منفرد VN ولتاژ برگشتپذیر پیل است که از معادله نرنست بهدست آمده است
