تحليل ترموديناميكي و بهينه‌سازي يك سيستم نوين تركيبي پيل سوختي اكسيد جامد با گازساز زيست توده و لوله‌هاي حرارتي

The thermodynamic analysis and optimization of a novel integrated solid oxide fuel cell system with biomass gasification and heat pipes

در تحقيق حاضر، يك سيستم تركيبي جديد، متشكل از گاز ساز زيست توده، لوله‌هاي حرارتي دما بالاي سديم و پيل سوختي اكسيد جامد معرفي شده است. سيستم تركيبي حاصل، به علت بازده و توان بالا به منظور توليد همزمان توان الكتريكي و حرارت مورد توجه قرار گرفته است. از ثابت‌هاي تعادل و قانون بقاي جرم و انرژي براي مدل‌سازي سيستم استفاده شده و مدل‌سازي و تجزيه و تحليل سيستم در نرم افزار EES انجام گرفته است. پس از حصول اطمينان از صحت مدل‌سازي انجام گرفته در تطابق با نتايج تجربي، اثر STBR گازساز، چگالي جريان، ضريب مصرف سوخت و دماي خروجي پيل سوختي به عنوان پارامترهاي متغير بر روي توان توليدي و بازده كلي سيستم توسط روش رويه پاسخ بررسي گرديد. نتايج تحليل واريانس نشان داد كه پارامترهاي ضريب مصرف سوخت (با ميزان تاثيرگذاري 53%) و چگالي جريان (با ميزان تاثيرگذاري 33%) به ترتيب موثرترين پارامتر بر روي توان خروجي سيستم و بازده انرژي كلي مي‌باشند. با افزايش دما، توان سيستم تركيبي افزايش مي‌يابد در حاليكه با افزايش ضريب مصرف سوخت، توان خروجي از سيستم رفتار افزايشي و سپس كاهشي دارد. همچنين افزايش دما و STBR سبب افزايش بازده كلي سيستم و افزايش چگالي جريان و ضريب مصرف سوخت موجب كاهش آن مي‌شود. نتايج حاصله نشان داد كه در بهينه‌ترين حالات با تنظيم صحيح پارامترهاي موثر، توان خروجي سيستم و بازده كلي را مي‌توان به ترتيب تا مقادير 300 kW و 90% افزايش داد.

In the present study, a novel integrated system containing biomass gasifier, sodium high-temperature heat pipes, and solid oxide fuel cells is introduced. The integrated system is taken into consideration due to its high efficiency and power in order to simultaneous producing electrical power and heat. The modeling of system is performed using equilibrium constants, mass and energy conservation law and the analysis of codes is done in EES software. The effect of gasifier STBR, current density, fuel utilization factor, and outlet fuel cell’s temperature as variable parameters is investigated on the power and total energy efficiency of integrated system using response surface method; after validation of modeling in comparison to the experimental results. The analysis of variance results indicate that fuel utilization factor (with 53% contribution) and current density (with 33% contribution) are the most effective parameter on the power and total efficiency, respectively. The power of integrated system is increased by increasing of temperature while power has an increasing behavior follows by decreasing behavior by increasing fuel utilization factor. The total efficiency is increased by increasing temperature and STBR while it is decreased by increasing current density and fuel utilization factor. The results revealed that the power and total efficiency is obtained at optimum states as high as 300 kW and 90%, respectively.