مدل سازي الكتروشيميايي و اقتصادي توده پيل سوختي اكسيد جامد لوله اي در يك سيستم توليد انرژي

The Electrochemical and Economic Modeling of a Tubular Solid Oxide Fuel Cell Stack in an Energy Generation System

هدف از اين مقاله، مدل سازي الكتروشيميايي و اقتصادي توده يك پيل سوختي اكسيد جامد لوله اي مي باشد. براي انجام اين تحقيق، ابتدا يك مدل الكتروشيميايي كامل براي تك سل پيل سوختي ارايه شده و سپس افت هاي مربوط به فعال سازي، اهمي و غلظتي آن به دست آورده شده است. نتايج نشان مي دهد كه با افزايش دما و فشار كاري پيل، افت ولتاژ كلي كمتر شده و عملكرد آن بهبود مي يابد. از سوي ديگر، افزايش دماي كاري پيل باعث افزايش راندمان الكتريكي و كاهش راندمان حرارتي در آن مي‌شود، اين در حالي است كه افزايش فشار كاري پيل تاثير زيادي بر راندمان الكتريكي آن نخواهد داشت. در اين تحقيق، براي توده پيل‌سوختي اكسيد جامد لوله اي در دماي كاري K 1273، ضريب بهينه مصرف سوخت حدود 8/0 تا 85/0 و نسبت هوا به سوخت ورودي به آن برابر 8 به دست آمده است. نتايج تحليل هاي اقتصادي نيز نشان مي دهد كه افزايش دماي كاري پيل، سبب بالا رفتن توان توليدي در آن مي‌گردد و اين مسيله سبب كاهش قيمت برق توليدي و همچنين ساير هزينه هاي مربوط به خريد، نصب و راه اندازي سيستم مي شود. در دماي K 1273 قيمت برق توليدي در حدود 14 سنت و هزينه يك مجموعه توليد توان با مولد پيل سوختي در حدود 1900 دلار بر كيلووات برآورد شده است.

The goal of this article is to present electrochemical and economic models for a tubular solid oxide fuel cell stack. To carry out this research, first, a complete electrochemical model has been employed for a single cell of the fuel cell stack, and then its activation, ohmic and concentration losses have been obtained. The results show that with the increase of the working temperature and pressure of the fuel cell, the overall voltage loss diminishes and the cell’s performance improves. On the other hand, the rise of the cell’s working temperature leads to the increase of electrical efficiency and the reduction of thermal efficiency in the cell; while the increase of the cell’s working pressure doesn’t have much effect on its electrical efficiency. In this research, for the tubular solid oxide fuel cell stack at the working temperature of 1273 K, an optimal fuel utilization coefficient of about 0.8-0.85 and an inflow air-to-fuel ratio of 8.0 have been obtained. The results of economic analyses indicate that the rise in the cell’s working temperature causes the power generation capacity of the cell to increase, which reduces the price of the generated electricity as well as the costs associated with the purchase, installation and startup of the system. At the working temperature of 1273 K, the price of the generated electricity and the cost of a power generation unit with fuel cell generator have been estimated as 14 cents per kW and 1900 dollars per kW, respectively.