بازیابی گرمای اتلافی پیل سوختی همراه با شعله با استفاده از چرخه برایتون فوق بحرانی کربن‌دی‌اکسید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران- شرکت بهره‌برداری و تعمیرات نیروگاه صبا، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی خوی، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

پیل سوختی همراه با شعله نوع جدیدی از پیل سوختی اکسید جامد است که با شعله سوخت غنی برای تولید توان ادغام شده است. در این مقاله از پیل‌سوختی اکسید جامد همراه با شعله برای تولید توان استفاده شده و مدلسازی این پیل در نرم افزار EES انجام گرفته است. مدل شامل معادلات بقای جرم، انرژی و واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی است. تحلیل پارامتری پیل سوختی نشان می‌دهد که با افزایش نسبت هم‌ارزی از 2/1 تا 8/2، بازده پیل سوختی از 21/4 تا 23/18 درصد تغییر می‌کند. در این مطالعه از چرخه برایتون فوق بحرانی کربن­دی‌اکسید تراکم مجدد برای بازیابی گرمای خروجی پیل بهره برده شده است. برای بهینه‌سازی این چرخه گرمایی از پارامترهای نسبت فشار کمپرسور و کسر تقسیم جریان استفاده شده است که در نسبت فشار بهینه، بازده‌ها برای دماهای ورودی توربین 15/583، 15/823 و 15/923 کلوین به ترتیب 56/31، 95/47 و 69/52 درصد بدست آمده است. نتایج نشان می دهد که بازده چرخه ترکیبی بهبود یافته و برای 8/2  بازده از %23/18 به %95/26 رسیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Zhu, B., R. Raza, and L. Fan, Solid Oxide Fuel Cells.
  • Wang, K., et al., A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame. Journal of power sources, 2008. 177(1): 33-39.
  • Milcarek, R.J., et al., Performance investigation of a micro-tubular flame-assisted fuel cell stack with 3,000 rapid thermal cycles. Journal of Power Sources, 2018. 394: p. 86-93.
  • Stefan, I.C., et al., Single chamber fuel cells: Flow geometry, rate, and composition considerations. Electrochemical and Solid State Letters, 2004. 7(7): p. A198.
  • Suzuki, T., et al., Anode supported single chamber solid oxide fuel cell in CH 4-air mixture. Journal of the Electrochemical Society, 2004. 151(9): p. A1473.
  • Wang, K., et al., Flame-assisted fuel cells running methane. international journal of hydrogen energy, 2015. 40(13): p. 4659-4665.
  • Horiuchi, M., S. Suganuma, and M. Watanabe, Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids. Journal of The Electrochemical Society, 2004. 151(9): p. A1402-A1405.
  • Wang, K., An experimental study of flame-assisted fuel cells. PHD. Thesis, Syracuse University, 2014.
  • Milcarek, R.J., et al., Investigation of microcombustion reforming of ethane/air and micro-Tubular Solid Oxide Fuel Cells. Journal of Power Sources, 2020. 450: p. 227606.
  • O'hayre, R., et al., Fuel cell fundamentals. 2016: John Wiley & Sons.
  • Wang, Y., et al., A micro tri-generation system based on direct flame fuel cells for residential applications. International Journal of Hydrogen Energy, 2014. 39(11): p. 5996-6005.
  • Wang, Y., et al., Start-up and operation characteristics of a flame fuel cell unit. Applied Energy, 2016. 178: p. 415-421.
  • Zeng, H., et al., Biogas-fueled flame fuel cell for micro-combined heat and power system. Energy Conversion and Management, 2017. 148: p. 701-707.
  • Ghotkar, R. and R.J. Milcarek. Integration of Flame-Assisted Fuel Cells With a Gas Turbine Running Jet-A As Fuel. in ASME Power Conference. 2019. American Society of Mechanical Engineers.
  • Liu, Y., Y. Wang, and D. Huang, Supercritical CO2 Brayton cycle: A state-of-the-art review. Energy, 2019. 189: 115900.
  • Sarkar, J., Second law analysis of supercritical CO2 recompression Brayton cycle. Energy, 2009. 34(9): p. 1172-1178.
  • Sarkar, J. and S. Bhattacharyya, Optimization of recompression S-CO2 power cycle with reheating. Energy Conversion and Management, 2009. 50(8): p. 1939-1945.
  • Yari, M. and M. Sirousazar, A novel recompression S-CO2 Brayton cycle with pre-cooler exergy utilization. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2010. 224(7): p. 931-946.
  • Akbari, A.D. and S.M. Mahmoudi, Thermoeconomic analysis & optimization of the combined supercritical CO2 (carbon dioxide) recompression Brayton/organic Rankine cycle. Energy, 2014. 78: p. 501-512.
  • Turns, S., An Introduction to Combustion: Concepts and Applications 3rd Edition ISBN-13: 978-0073380193. ISBN-10. 73380199.
  • Kendall, K. and M. Kendall, High-temperature solid oxide fuel cells for the 21st century: fundamentals, design and applications. 2015: Elsevier.
  • Akkaya, A.V., Electrochemical model for performance analysis of a tubular SOFC. International Journal of Energy Research, 2007. 31(1): 79-98.
  • Poling, B.E., J.M. Prausnitz, and J.P. O’connell, Properties of gases and liquids. 2001: McGraw-Hill Education.
  • Bingue, J.P., et al., Hydrogen production in ultra-rich filtration combustion of methane and hydrogen sulfide. International journal of hydrogen energy, 2002. 27(6): 643-649.
  • Wang, Y., et al., Dynamic analysis of a micro CHP system based on flame fuel cells. Energy Conversion and Management, 2018. 163: p. 268-277.
  • Singhal, S.C., Advances in solid oxide fuel cell technology. Solid state ionics, 2000. 135(1-4): p. 305-313.
  • Singhal SC. Solid oxide fuel cells for power generation. WIREs Energy Environ 2014;3:179-94.
  • Park, J.H., et al., Optimization and thermodynamic analysis of supercritical CO2 Brayton recompression cycle for various small modular reactors. Energy, 2018. 160: p.520-535.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار