تحليل انرژي، اگزرژي و ترمواكونوميكي سيكل تركيبي نوين پيل‌سوختي‌اكسيدجامد و ريفرمينگ بخار آب بيوگاز براي توليد همزمان توان و هيدروژن

Energy, Exergy and Thermoeconomic Analysis of the Novel Combined Cycle of Solid Oxide Fuel Cell and Biogas Steam Reforming for Cogeneration Power and Hydrogen

در اين مقاله، پيكربندي جديدي از سيستم تركيبي پيل‌سوختي‌اكسيدجامد/ توربين گازي با سيكل ريفرمينگ بيوگاز با اهداف توليد همزمان توان و هيدروژن ارائه شده است. حرارت خروجي از سيستم پايه پيل‌سوختي‌اكسيد جامد جهت تأمين انرژي لازم واكنش ريفرمينگ و راه‌اندازي سيكل ريفرمينگ بيوگاز براي توليد هيدروژن مورد استفاده قرار گرفته است. مدل‌سازي جامع ترموديناميكي و ترمواكونوميكي با استفاده از برنامه اي‌‌اي‌اس انجام گرفته است. همچنين مطالعه پارامتريك جهت بررسي تأثير پارامترهاي مختلف بر روي توان خالص خروجي، بازده انرژي و اگزرژي، نرخ تخريب اگزرژي و مجموع هزينه واحد محصول كل سيستم مورد تحليل قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه بازده انرژي و اگزرژي سيستم تركيبي پيشنهادي در مقايسه با سيستم پايه پيل‌سوختي‌اكسيدجامد/ توربين گازي به‌ترتيب به ميزان 23/31% و 28/19% افزايش يافته است. توان خالص خروجي و دبي جرمي هيدروژن كل سيستم به‌ترتيب 2726 كيلووات و 07453 /0كيلوگرم در ثانيه به‌دست آمده است. از تحليل اگزرژي كل سيستم، اين نتيجه حاصل شد كه جزء پس‌سوز بيش‌ترين سهم را در بين ساير اجزاي سيستم در حدود 26% از نرخ تخريب اگزرژي كل به خود اختصاص داده است. با افزايش دماي ورودي پيل سوختي، ولتاژ پيل در دماي 679 كلوين به حداكثر مقدار مي‌رسد و سپس كاهش مي‌يابد. در نتيجه، بازده انرژي و اگزرژي به بيشترين مقدار رسيده و سپس كاهش مي‌يابد. علاوه بر اين، نرخ تخريب اگزرژي و مجموع هزينه واحد محصول كل سيستم تركيبي به‌ترتيب برابر 1532 كيلووات و 9400 دلار بر گيگاژول محاسبه شده است.

In this paper, a new configuration of a solid oxide fuel cell/gas turbine combined cycle system with a biogas reforming cycle is presented for the purpose of coproduction production of power and hydrogen. The heat output from the base system of the solid oxide fuel cell/gas turbine is used to supply the energy required for the reforming reaction and to drive the biogas reforming cycle for hydrogen production. Comprehensive thermodynamic and thermoeconomic modeling has been performed using engineering equation solver software. Also, the parametric study has been analyzed for the effect of different parameters on the net output power, energy and exergy efficiency, exergy destruction rate, and the sum unit cost products of the whole system. The results show that the energy efficiency and exergy efficiency of the proposed combined system have increased the comparison of the solid oxide fuel cell/gas turbine system by 23.31% and 28.19%, respectively. The net output power and hydrogen production rate are obtained at 2726 kW and 0.07453 kg/s, respectively. From the exergy viewpoint, the afterburner causes a considerable amount of exergy destruction for the system by approximately 26% of the total exergy destruction rate. By increasing the inlet temperature fuel cell, the cell voltage reaches a maximum value at a temperature of 679 K and then decreases. As a result, energy and exergy efficiency are maximized and then reduced. Besides, the total exergy destruction rate and sum unit cost product of the cogeneration system is calculated equals to 1532 kW and 9400 $/GJ, respectively.