بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل سازی استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای با نرم افزار Aspen Plus
چکیده
پیل سوختی یک تکنولوﮊی پاک برای تولید الکتریسیته است، که انرﮊی شیمیایی موجود در سوخت گازی را بدون عمل احتراق به وسیله واکنش الکتروشیمیایی به انرﮊی الکتریسیته تبدیل می کند. پیلهای سوختی به دلیل عدم محدودیتهای ترمودینامیکی نظیر قانون کارنو، قابلیت تولید توان با راندمان بالا را داراست و همچنین انتشار آلودگی آن نسبت به نیروگاههای فسیلی کمتر است. یکی از انواع پیل سوختی، پیل سوختی اکسید جامد است که بالاترین راندمان و دمای کارکرد را در میان تمام پیل های سوختی داراست. پیل سوختی اکسید جامد به دلیل دمای کارکرد بالا، بیشتر برای تولید توان در نیروگاهها استفاده می شود تا از گرمای خروجی آن برای تولید آب گرم و یا الکتریسیته اضافی استفاده شود. در این مقاله ابتدا، استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای برای تولید توان با ظرفیت ۰۰۱ کیلو وات با استفاده از نرم افزار Aspen Plus طراحی شده و برای درستی مدل سازی، نتایج بدست آمده با نتایج واقعی مقایسه می شود. برای محاسبه ولتاﮊ پیل سوختی اکسید جامد از معادلات تجربی استفاده شده که این معادلات، به صورت برنامه نویسی FORTRAN در محیط نرم افزار Aspen Plus نوشته و به کمک آن ولتاﮊ پیل سوختی محاسبه می شود. در ادامه مقاله، با مطالعه آنالیز حساسیت، اثر پارمترهای مهم پیل سوختی اکیسد جامد بر روی عملکرد آن بررسی می شود.
واﮊه های کلیدی : پیل سوختی اکسید جامد، تولید توان، Aspen Plus
۱- مقدمه
پیل سوختی اکسید جامد در حال حاضر بالاترین دما و راندمان را در میان انواع پیلهای سوختی داراست. محدوده دمای کارکرد این پیل۰۰۰۱-۰۰۶ درجه سلسیوس است، به همین دلیل میتوان از انواع سوخت در آن استفاده کرد]۱.[ سوخت مورد نیاز برای انجام واکنش در پیل سوختی اکسید جامد هیدروﮊن و ماده اکسید کننده آن اکسیژن است، بطوریکه اکسیژن مورد نیاز برای انجام واکنش را می توان از هوا فراهم نموددر . پیل سوختی اکسید جامد می توان از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کرد، بدین صورت که هیدروﮊن مورد نیاز برای انجام واکنش را از طریق ریفورمینگ هیدروکربنهای گاز طبیعی در داخل پیل سوختی به کمک گرمای حاصل از واکنش الکتروشیمیایی انجام داد]۱.[
Stephano Companari مدل ترمودینامیکی و آنالیز حساسیت پارامترهای پیل سوختی اکسید جامد لوله ای را بررسی و نشانمیداد توانکه چنین مدلی د، توان تولیدی پیل سوختی را بر اساس شرایط کاری پیش بینی کند]۲.[
این مقاله همانند مقاله بالا، مدل ترمودینامیکی و آنالیز حساسیت پارامترهای پیل سوختی اکسید جامد لوله ای را با کمک نرم افزار Aspen Plus بررسی می کند و مشاهده خواهد شد که میزان خطابای آن نتایج واقعی کم و قابل قبول است.
١
۲- نرم افزار Aspen Plus
Aspen Plus یک نرم افزار تجاری برای مدل سازی و تجزلیهفر تحیلی آ ندهای شیمیایی است، با استفاده از این نرم افزار می توان فرآیندها و خروجیهای پیل سوختی اکسید جامد را قبل از ساختکر آن، برآورد د. این نرم افزار دارای بانک اطلاعاتی قوی در مورد قوانین ترمودینامیکی، شیمیایی و فیزیکی برای انجام واکنشهای شیمیایی است. اساس کار این نرم افزار بر اساس بلوک است که می توان برای بلوکها، قوانین ترمودینامیکی و شیمیایی مورد نیاز را بکار برد]۳.[
۳- روش کار پیل سوختی اکسید جامد لو له ای
شکل ۱، اجزای اصلی لوله پیل سوختی اکسید جامد لوله ای را نشان می دهد. الکترود آند، الکترود کاتد، الکترولیت و مدار اتصال داخلی بخش های اصلی لوله را تشکیل می دهد، از اینرو واکنشها و فرآیندهای شیمیایی پیل سوختی اکسید جامد در سطح لوله ها اتفاق می افتد. نحوی قرار گیری اجزای تشکیل دهنده لوله ها بدین صورت است که، الکترود آند در سطح خارجی لوله، الکترود کاتد در سطح داخلی لوله، الکترولیت در بین الکترودها در بخش میانی لوله و مدار اتصال داخلی در بین الکترودها قرار گرفته است. طول، قطر و ضخامت هر لوله پیل سوختی اکسید جامد به ترتیب ۰۰۵۱میلیمتر، ۲۲ میلیمتر و ۲ میلیمتر است که مساحت موثر آن ۴۳۸ سانتیمتر مربع است. هر لوله بیانگر یک پیل سوختی در استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای است]۴.[
شکل ۱- اجزای اصلی لوله پیل سوختی اکسید جامد لوله ای]۱[
شکل ۲، استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای را که از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند نشان می دهد. هوا به عنوان اکسید کننده در داخل لوله و گاز طبیعی ریفورمینگ شده به عنوان سوخت، در سطح خارجی لوله دمیده می شود. از آنجاییکه جهت حرکت هوا در سطح داخلی لوله (الکترود کاتد) با جهت حرکت گاز طبیعی در سطح خارجی لوله (الکترود آند) موازی و در یک راستا هستند، شرایط را برای انجام واکنش الکتروشیمیایی در پیل سوختی فراهم می کند]۵.[ پیلها در استک پیل سوختی اکسید جامد بوسیله مدار اتصال خارجی به هم متصلند تا از این طریق، الکترونها بتوانند به پیلهای مجاور منتقل شوند. با سری شدن چندین پیل، جریان بالا در ولتاﮊ کم حاصل و توان مورد نیاز پیل فراهم می گردد]۶.[
۴- مدل سازی پیل سوختی اکسید جامد لوله ای با نرم افزار Aspen Plus
شکل ۲، نمایی کامل از اجزای اصلی پیل سوختی اکسید جامد لوله ای را نشان می دهد، با کمک آن و با استفاده از قابلیتهای نرم افزار Aspen Plus پیل سوختی اکسید جامد لوله ای طراحی می شود. شکل ۳، مدل سازی استک پیل سوختی
٢
اکسید جامد لوله ای با استفاده از نرم افزار Aspen Plus را نشان می دهد. بخشهای مختلف مدل سازی سیستم به شرح زیر می باشد :
شکل ۲- استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای]۷[
۴-۱- جریان برگشتی و مخلوط شدن سوخت در پاشنده
گاز طبیعی بدون گوگرد (جریان۱ ) در ورود به استک پیل سوختی اکسید جامد با محصولات واکنش الکتروشیمیایی برگشت شده از آند (عمدتا شامل آب، دی اکسید کربن و مقدار کمی هیدروﮊن و منو کسید کربن) مخلوط می شود. نسبت جریان برگشتی از آند (جریان۵) بر اساس نسبت بخار به کربن است، تا بخار لازم برای انجام واکنش در پیش ریفورمر فراهم شود. نسبت فشار سوخت ورودی به فشار کارکرد پیل سوختی باید طوری انتخاب شود تا، گازهای خروجی از جدا کننده توانایی برگشت برای مخلوط شدن با سوخت ورودی را داشته باشد]۲.[
٣
شکل ۳- مدل سازی استک پیل سوختی اکسید جامد لوله ای با استفاده از نرم افزار Aspen Plus
۴-۲- پیش ریفورمینگ سوخت ورودی
ریفورمینگ کامل سوخت در آند نه تنها موجب تشکیل کربن در قسمت آند پیل سوختی می شود، بلکه باعث گرادیان شدید دمایی، به خاطر گرماگیر بودن واکنش ریفورمینگ می شود. برای جلوگیری از این عمل، نیاز به طراحی یک پیش ریفورمر است تا هیدروکربنهای سنگین و مقدار کمی از متان موجود در گاز طبیعی، در فرآیند آدیاباتیک تبدیل به هیدروﮊن، منو کسید و دی اکسید کربن شوند]۸.[ واکنشهایی که در پیش ریفورمر اتفاق می افتد عبارتند از :
Cn H2n 2 nH2O nCO2 (2n 1)H2 واکنش ریفورمینگ هیدروکربنها
CO H 2O CO 2 H 2 واکنش گازی کردن بخار
فرآیند ریفورمینگ سوخت در پیش ریفورمر موجب کاهش دمای گازهای خروجی از آن می شود (جریان۳)، اما دمای آن عمدتا بالای ۰۰۵ درجه سلسیوس است تا از تشکیل گرادیان دمایی در قسمت آند پیل سوختی جلوگیری شود]۸.[
۴-۳- ریفورمینگ داخلی و واکنش الکتروشیمیایی در آند
دمای کارکرد در آند پیل سوختی ۰۰۰۱ درجه سلسیوس است که در این دما، متان باقی مانده در گاز طبیعی (جریان۳) طی واکنش ریفورمینگ به هیدورﮊن، و منوکسید کربن موجود در سوخت طی واکنش گازی کردن بخار به هیدروﮊن تبدیل می شود]۵.[ واکنش هایی که در قسمت آند پیل سوختی اتفاق می افتد عبارتند از :
O2 H 2O 1 H 2 واکنش الکتروشیمیایی
2
CH 4 H2O CO2 3H2 واکنش ریفورمینگ متان
CO H 2O CO 2 H 2 واکنش گازی کردن بخار
هیدروﮊن مصرفی در واکنش الکتروشیمیایی پیل سوختی، بوسیله ریفورمینگ هیدروکربنهای گاز طبیعی در پیش ریفورمرفراهممیو آندشو پیل سوختی د.
٤-٤- پیش گرم کردن جریان هوا و تهیه اکسیژن
جریان هوای ورودی به استک پیل سوختی (جریان٧) پس از پیش گرم شدن در ری کوپراتور بوسیله گازهای گرم خروجی از پس سوز (جریان١٢ ) وارد کاتد پیل سوختی می شود، تا اکسیژن لازم برای واکنش الکتروشیمیایی را فراهم کند. در داخل پیل سوختی هوا بوسیله گرمای حاصل از واکنش الکتروشیمیایی بیشتر گرم می شود، برای مدلسازی چنین فرآیندی در سیستم از هیتر استفاده می شود تا گرمای Q1 حاصل از واکنش الکتروشیمیایی به آن منتقل شود، در این صورت دمای هوای خروجی از کاتد پیل سوختی (جریان١١) برابر با دمای گازهای خروجی از آند پیلجریاسوختی ( ن٤) می شود.
در کاتد پیل سوختی مقدار مشخصی اکسیژن (جریان٩) برای اکسیداسیون سوخت به صورت یون اکسیژن به آند پیل سوختی منتقل می شود. مقدار اکسیژن لازم برای واکنش الکتروشیمیایی از رابطه زیر بدست می آید :
(۱) nO 2,required 0.5 U f nH 2,equivalent
٤
در رابطه ۱، U f ضریب بهره بردای سوخت و nH 2,equivalent تعداد مول هیدروﮊن موجود در سوخت است که از رابطه زیر بدست می آید]۱: [
(۲) ... nH 2,equivalent nH 2 nCO 4nCH 4 7nC2H 6
۴-۵- پس سوز
پس از انجام واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی در آند پیل سوختی، بخشی از گازهای خروجی آند با سوخت ورودی پیل مخلوط می شوند تا بخار لازم برای انجام واکنش در پیش ریفورمر فراهم شود و مابقی آن وارد پس سوز می شود. از آنجاییکه ضریب بهره برداری سوخت در پیل کمتر از یک است، مقداری هیدروﮊن و منوکسید کربن در گازهای خروجی آند (جریان۶) وجود دارد، این جریان گازی با اکسیژن موجود در هوای برگشتی از کاتد (جریان۱۱) در پس سوز محترق می شوند و باعث بالا رفتن دمای گازهای خروجی از پیل سوختی می شوند]۹.[ واکنشهایی که در پس سوز اتفاق می افتد عبارتند از :
O2 H 2O 1 H 2 اکسیداسیون هیدروﮊن
2
O2 CO2 1 CO اکسیداسیون منوکسید کربن
2
۴-۶- محاسبهسو ولتاﮊ، جریان و خت مورد نیاز پیل سوختی
محاسبه ولتاﮊ پیل سوختی بخش اصلی مدل سازی سیستم است. برای محاسبه ولتاﮊ ابتدا با استفاده از منحنی عملکرد
پیل سوختی که از طریق داده های آزمایشگاهی بدست آمده ولتاﮊ پیل سوختی را در حالت مرجع بدست آمده، سپس با
استفاده از روابط تجربی، ولتاﮊ پیل سوختی در شرایط کاری مورد نظر محاسبه می شود]۵.[
مزیت اصلی استفاده از روابط تجربی اینست که از تجزیه تحلیل در مورد ساختار فیزیکی پیل سوختی جلوگیری می شود
و همچنین با گسترش تکنولوﮊی پیل سوختی می توان این روابط را اصلاح و ولتاﮊ پیل سوختی را به آسانی بدستبرایآورد.
بدست آوردن ولتاﮊ پیل سوختی در حالت مرجع از هندبوک پیل سوختی استفاده می شود، ولتاﮊ پیل سوختی در حالتی که
وضعیت سوخت ورودی به آن به صورت H2O 11% ، H2 67%,CO 22% و شرایطرداریکاریهوآن (ضریب بهره ب ا)
Ua 25%، U f 85% ،P 1atm ، T 1000O C است به عنوان مرجع در نظرگرفته می شود]۵.[
برای بدست آوردن ولتاﮊ پیل سوختی در شرایط کاری، از ۴ معادله تجربی که در مورد وضعیت دما، فشار، ترکیبات
سوخت و هوای پیل سوختی، نسبت به حالت مرجع است استفاده می شود]۵،۲.[ این معادلات در غالب برنامه FORTRAN
در نرم افزار نوشته می شود تا ولتاﮊ پیل سوختی را محاسبه کند.
١- فشار عملیاتی
(۳) P VP(mV)59Log
P
ref
: P فشار عملیاتی (۱تا١٠ اتمسفر ) : Pref فشار عملیاتی مرجع، برابر یک اتمسفر است
٢- دمای عملیاتی و دانسیته جریان
٥
ات : T دمای عملی ی C) ۰۵۰۱ -۰۰۹) ات : Tref دمای عملی ی مرجع ، برابرC ۰۰۰۱ است
: I C دانسیته جریان بر حسب ( mA ) است.
2
cm
٣- وضعیت سوخت
( PH2 )
: ( PH2 ) نسبت فشار هیدروﮊن به بخار آب در شرایط عملیاتی
PH2O
: ( PH2 )ref نسبت فشار هیدروﮊن به بخار آب در شرایط مرجع، برابر ۵۱/۰ است.
PH2O
٤- وضعیت اکسید کننده
: P0 2 میانگین فشار جزیی اکسیژن در کاتد در اتشرایط عملی ی
: (P02 )ref یمی اناکگینی فشار جزی س ژن در کاتد در حالت مرجع، برابر ۴۶۱/۰ است.
ولتاﮊ کاری پیل سوختی اکسید جامد لوله ای از رابطه زیر بدست می آید]۲: [
برجریااساس الگوریتموانولتاﮊشکل ۴، مین ت ، و سوخت مورد نیاز پیل سوختی را بر اساس توان تولیدی از آن محاسبه
کرد.
۴-۷- محاسبه گرمای تولید شده و جریان هوای مورد نیاز پیل سوختی
در پیل سوختی فقط بخشی از انرﮊی شیمیایی موجود در سوخت به توان تبدیل می شود و بقیـه آن بـه صـورت گرمـا در سیستم تلف می شود. مقداری از گرمای تولید شده برای گرم کردن هوا و سوخت ورودی به پیل سـوختی مـصرف مـی شـود و بخش اعظم گرما برای واکنش ریفورمینگ سوخت که گرماگیر است صرف می شود]۲.[ برای اینکه دمای کـاری پیـل سـوختی اکسید جامد در یک نقطه ثابت بماند، از جریان هوای اضافی برای خنک کردن آن اسـتفاده مـی شـود. بـرای محاسـبه گرمـای اضافی در قسمت آند پیل سوختی اکسید جامداز، رابطه زیر استفاده می شود]۱۱: [
: Q2 گرمای اضافی تولید شده در قسمت آند پیل سوختی است.
: Qr QS Qe به ترتیب گرمای تولید شده از واکنش الکتروشیمیایی، گازی کردن بخار و ریفورمینگ هیدروکربنها است. : Q1 گرمای منتقل شده به هوای خروجی کاتد، تا دمای آن با دمای گازهای خروجی آند برابر شود.
اگر مقدار گرمای اتلافی در سیستم برابر QL باشد، برای محاسبه مقدا هوای اضافی از رابطه زیر استفاده می شود]۱،۱۱: [
