تحلیل انرژی و اگزرژی سیستم تولید سه گانه بر مبنای پیل سوختی اکسید جامد با سوخت مستقیم آمونیاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

در این تحقیق یک سیستم تولید سه­گانه بر مبنای پیل سوختی اکسید جامد با سوخت مستقیم آمونیاک، پیشنهاد شده و مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسی شامل مدل­سازی ترمودینامیکی پیل سوختی به منظور تحلیل انرژی و اگزرژی اجزاء و در نهایت محاسبه بازده انرژی و اگزرژی سیستم تولید سه­گانه است. در سیستم پیشنهادی از یک پیل سوختی اکسید جامد با الکترولیت هیدروژن-پروتونی، به عنوان مولّد اصلی استفاده شده که بر اساس نتایج گزارش شدۀ پیشین، بیشترین بازده را برای پیل­های سوختی با سوخت آمونیاک دارا می­باشد. در ادامه، تأثیر پارامترهای مهمی چون چگالی جریان، دما و فشار کاری سیستم و فاکتور بهره­گیری از سوخت، روی عملکرد سیستم تولید سه­گانه، مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج بدست آمده، با در نظر گرفتن دما و فشار کاری K  1073 و kPa 505 برای پیل سوختی، فاکتور بهره­گیری از انرژی و بازده اگزرژی سیستمِ پیشنهادی، اعداد قابل توجه %9/108 و 75% بوده و با جایگزینی سیستم تولید سه­گانه پیشنهادی به جای پیل سوختی تنها، فارغ از بارِ سرمایشی و گرمایشیِ تولید شده، توان تولیدی به میزان kW 633، افزایش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Combined heat and power: evaluating the benefits of greater global investment. International Energy Agency, Paris, France, 2008.
[2]  International Energy Outlook 2009. Energy Information Administration, USA, 2009.
[3]  U.S. Department of Energy, Fuel cell handbook, seventh edition, EG, Inc. G Technical Services, and U.S. Department of Energy, USA, November 2004.
[4]  Weber C., Koyama M. and Kraines S., Co2-emissions reduction potential and costs of a decentralized energy system for providing electricity, cooling and heating in an office-building in Tokyo. Energy, Vol. 31, No. 14, pp. 2705 – 2725, 2006.
[5]  Fuerte A. et al, Ammonia as efficient fuel for SOFC. Journal of Power Sources, Vol. 192, pp. 170-174, 2009.
[6]  Ishak F., Dincer I. and Zamfirescu C., Thermodynamic Analysis of Ammonia-fed Solid Oxide Fuel Cells, Journal of Power Sources, Vol. 202, pp. 157-165, 2012.
[7]  Meng Ni, Dennis Y.C. Leung and Michael K.H. Leung Thermodynamic analysis of ammonia fed solid oxide fuel cells: Comparison between proton-conducting electrolyte and oxygen ion-conducting electrolyte. Journal of Power Sources, Vol. 183, No. 2, pp. 682-686, 2008.
[8]  Anatoly Demin P. T., Thermodynamic analysis of a hydrogen fed solid oxide fuel cell based on a proton conductor. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 26, No. 10, pp. 1103-1108, 2001.
[9]  Chellappa A.S., Fischer C.M., Thomson W.J., Ammonia decomposition kinetics over Ni-Pt/Al2O3 for PEM fuel cell applications. Applied Catalysis A: General, Vol. 227, No. 1-2, pp. 231-240, 2002.
[10]             Meng Ni, Dennis Y.C. Leung and Michael K.H. Leung, An improved electrochemical model for the NH3 fed proton conducting solid oxide fuel cells at intermediate temperatures. Journal of Power Sources, Vol. 185, No. 1, pp. 233-240, 2008.
[11]             Dincer I. and Zamfirescu C., Thermodynamic performance analysis and optimization of a SOFC-H+ system. Thermochimica Acta, Vol. 486, No. 1-2, pp. 32-40, 2009.
[12]             Dincer I. and Ishak F., Energy and Exergy analyses of direct ammonia solid oxide fuel cell integrated with gas turbine power cycle. Journal of Power Sources, Vol. 212, pp. 73-85, 2012.
[13]             Cinti G, et al., SOFC operating with ammonia: Stack test and system analysis. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 41, pp. 13583-13590, 2016.
[14]             Kalinci Y. and Dincer I., Analysis and performance assessment of NH3 and H2 fed SOFC with proton-conducting electrolyte. International Journal of Hydrogen Energy, in Press, corrected Proof, 2017.
[15]             Siddiqui O. and Dincer I., A review and comparative assessment of direct ammonia fuel cells. Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 5, pp. 568-578, 2018.
[16]             Tan W.Ch., Iwai H., Kishimoto M., Bruz G., S. Szmyd J. and Yoshida H., Numerical analysis on effect of aspect ratio of planner solid oxide fuel cell fueled with decomposed ammonia. Journal of Power Sources, Vol. 384, pp. 367-378, 2018.
[17]             Shy S.S., Hsieh S.C., Chang H.Y., A pressurized ammonia-fueled anode-supported solid oxide fuel cell: Power performance and electrochemical impedance measurements. Journal of Power Sources, Vol. 396, pp. 80-87, 2018.
[18]             Fahad A. Al-Sulaiman, Thermodynamic Modeling and Thermoeconomic Optimization of Integrated Trigeneration Plants Using Organic Rankine Cycles. PhD thesis, Waterloo, Ontario, Canada, 2010.