بررسی قانون اول و دوم یک سیستم جدید جهت تولید توان، گرمایش، هیدروژن با استفاده از سیستم پیل سوختی پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول، دزفول، ایران

چکیده

استفاده از سیستم تولید همزمان برای نیروگاه­ها می تواند روشی امیدوارکننده برای افزایش راندمان سیستم از نظر انرژی و اگزرژی باشد. در این مطالعه، یک سیستم تولید چند­گانه که شامل چرخه رانکین آلی، آب­گرم­کن داخلی، الکترولایزر غشاء پروتونی و پیل سوختی غشاء تبادل پروتونی پیشنهاد شده است. در این سیستم ترکیبی از بازیابی گرمای هدر رفت پیل سوختی استفاده شده است. این سیستم مورد تحلیل انرژی و اگزرژی قرار گرفته و تاثیر پارامترهای مهمی همانند دمای تبخیرکن، اختلاف دمای تنگش تبخیر کن، چگالی جریان و دمای پیل سوختی روی پارامترهای عملکردی سیستم بررسی شده است. برای سیستم پیشنهادی توان تولیدی پیل سوختی 4/609 کیلووات، مقدار هیدروژن تولیدی 137/0 کیلوگرم بر ساعت، گرمایش 2/210 کیلووات، تولید توان سیستم 9/588 کیلووات، بازده حرارتی پیل سوختی %71/53، بازده حرارتی کل %76/71 و بازده اگزرژی کل %84/54 محاسبه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Chammam A, Tripathi AK, Alvarez JRN, Alsaab HO, Romero-Parra RM, Mayet AM, et al. Multiobjective optimization and performance assessment of a PEM fuel cell-based energy system for multiple products. Chemosphere. 2023;337:139348.
[2] Abdolalipouradl M, Mohammadkhani F, Khalilarya S, Jafarmadar S. Thermodynamic Analysis of New Cogeneration Cycle Based on Gaynarje Hotspring. International Journal of Engineering. 2020;33(6):1149-55.
[3] Jiao K, Wang B, Du Q, Wang Y, Zhang G, Yang Z, et al. Water and thermal management of proton exchange membrane fuel cells: Elsevier; 2021.
[4] Kaur G. PEM fuel cells: fundamentals, advanced technologies, and practical application: Elsevier; 2021.
[5] Santarelli M, Torchio M. Experimental analysis of the effects of the operating variables on the performance of a single PEMFC. Energy conversion and management. 2007;48(1):40-51.
[6] Bıyıkoğlu A. RETRACTED: Review of proton exchange membrane fuel cell models. Elsevier; 2005.
[7] Özgür T, Yakaryilmaz AC. Thermodynamic analysis of a Proton Exchange Membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2018;43(38):18007-13.
]8 [صباغی م, سفید م. بررسی چرخه اصلاح شده رانکین آلی به منظور تولید هیدروژن و آب شیرین با استفاده از انرژی زمین گرمایی و زیست‌توده از دیدگاه انرژی، اگزرژی، اقتصادی و زیست محیطی. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 2023;52(4):301-10.
]9 [اشجاری اقدم س, جعفرمدار ص, خلیل‌آریا ش, چیت ساز خویی ع. شبیه سازی و بررسی پارامتری سیستم تولید سه گانه توان، گرما و تبرید با استفاده از سلول‌های خورشیدی متمرکز و خنک کننده ترموالکتریک. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 2023;53(1):41-9.
[10] Tao H, Al Mamun K, Ali A, Solomin E, Zhou J, Sinaga N. Performance enhancement of integrated energy system using a PEM fuel cell and thermoelectric generator. International Journal of Hydrogen Energy. 2024;44(51):1280-92.
[11] Sabbaghi MA, Baniasadi E, Genceli H. Thermodynamic assessment of an innovative biomass-driven system for generating power, heat, and hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy. 2024.
[12] Marandi S, Mohammadkhani F, Yari M. An efficient auxiliary power generation system for exploiting hydrogen boil-off gas (BOG) cold exergy based on PEM fuel cell and two-stage ORC: Thermodynamic and exergoeconomic viewpoints. Energy Conversion and Management. 2019;195:502-18.
[13] Marandi S, Sarabchi N, Yari M. Exergy and exergoeconomic comparison between multiple novel combined systems based on proton exchange membrane fuel cells integrated with organic Rankine cycles, and hydrogen boil-off gas subsystem. Energy Conversion and Management. 2021;244:114532.
[14] Abdolalipouradl M, Khalilarya S, Mohammadkhani F. Hydrogen Production Using Proposed Cycle from Sabalan Geothermal Wells via Proton Exchange Membrane Electrolysis. Modares Mechanical Engineering. 2020;20(2),(in persian).
[15] Ahmadi MH, Mohammadi A, Pourfayaz F, Mehrpooya M, Bidi M, Valero A, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a waste heat recovery system for proton exchange membrane fuel cell using transcritical carbon dioxide cycle and cold energy of liquefied natural gas. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016;34:428-38.
[16] Wang D, Dhahad HA, Ali MA, Almojil SF, Almohana AI, Alali AF, et al. Environmental/Economic assessment and multi-aspect optimization of a poly-generation system based on waste heat recovery of PEM fuel cells. Applied Thermal Engineering. 2023;223:119946.
[17] Gharibzadeh S, Motallebzadeh R, Jafarmadar S, Ebrahimpour A. Comprehensive optimization of an integrated energy system for power, hydrogen, and freshwater generation using high-temperature PEM fuel cell. Case Studies in Thermal Engineering. 2024;56:104181.
[18] Li Z, Khanmohammadi S, Khanmohammadi S, Al-Rashed AA, Ahmadi P, Afrand M. 3-E analysis and optimization of an organic rankine flash cycle integrated with a PEM fuel cell and geothermal energy. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45(3):2168-85.
[19] Abdolalipouradl M, Mohammadkhani F, Khalilarya S, Yari M. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of two novel tri-generation cycles for power, hydrogen and freshwater production from geothermal energy. Energy Conversion and Management. 2020;226:113544.
[20] Mehdikhani V, Mirzaee I, Khalilian M, Abdolalipouradl M. Thermodynamic and exergoeconomic assessment of a new combined power, natural gas, and hydrogen system based on two geothermal wells. Applied Thermal Engineering. 2022;206:118116.
[21] Abdolalipouradl M, Mousavi V, Mohammadkhani F, Yari M. Proposing new configurations of flash cycle for effective utilization of geothermal resources: thermodynamic and exergoeconomic assessments. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2022;44(10):465.
[22] Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M. Thermal design and optimization: John Wiley & Sons; 1996.
[23] Nafey A, Sharaf M. Combined solar organic Rankine cycle with reverse osmosis desalination process: energy, exergy, and cost evaluations. Renewable Energy. 2010;35(11):2571-80.
[24] Gholizadeh T, Vajdi M, Mohammadkhani F. Thermodynamic and thermoeconomic analysis of basic and modified power generation systems fueled by biogas. Energy conversion and management. 2019;181:463-75.
[25] Abdolalipouradl M, Khalilarya S, Jafarmadar S. Energy and Exergy Analysis of a New Power, Heating, Oxygen and Hydrogen Cogeneration Cycle Based on the Sabalan Geothermal Wells. International Journal of Engineering. 2019;32(3):445-50.
[26] Klein S, Alvarado F. EES—Engineering Equation Solver. F-Chart Software. 2002.
[27] Ni M, Leung MK, Leung DY. Energy and exergy analysis of hydrogen production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant. Energy conversion and management. 2008;49(10):2748-56.