مدل سازي و بهينه سازي يك تك پيل سوختي اكسيد جامد صفحه اي

Modeling and optimization of a single planar solid oxide fuel cell

در اين مقاله، يك تك پيل سوختي اكسيد جامد صفحه اي با اصلاح داخلي و جريان همسو مدل سازي و بهينه سازي شده است. اين تك پيل سوختي، جزيي از توده يك سيستم پيل سوختي است كه جهت توليد همزمان حرارت و كار مورد استفاده قرار مي‌گيرد. معادلات حاكم شامل معادلات بقاي جرم، بقاي ممنتوم، بقاي انرژي و روابط الكتروشيمايي است كه توسط نرم‌افزار جي پرامز (gPROMS Software) حل و به كمك داده هاي موجود در مقالات اعتبارسنجي شده است. در اين مدلسازي، اثر كميت هايي مانند ضريب مصرف سوخت، ميزان هواي اضافي، درصد پيش اصلاح سوخت ورودي و غيره روي ولتاژ و توان خروجي همچنين راندمان هاي انرژي و اگزرژي پيل بررسي شده است. نتايج نشان مي دهند كه در ميان پارامترهاي مختلف، درصد پيش اصلاح سوخت، اثر موثرتري بر عملكرد پيل سوختي دارد و با افزايش آن، توان، ولتاژ خروجي و راندمان انرژي افزايش مي يابد. نقطه كاري بهينه پيل سوختي با سه تابع هدف توان خروجي، حاصلضرب توان خروجي در راندمان ولتاژ و حاصلضرب توان خروجي در راندمان انرژي تعيين شده است. نتايج همچنين نشان مي‌دهند كه نقطه بهينه در چگالي جرياني كمتر از چگالي جريان حداكثر توان است و در اين نقطه، توان خروجي و راندمان انرژي با شرط كمترين اتلاف انرژي به ترتيب w/cm211/1 و 42% و با شرط كمترين اتلاف اگزرژي به ترتيب برابر w/cm2 46/1 و 24% مي‌باشند.

In this paper, a single solid oxide fuel cell with internal reforming and parallel flow is modeled and optimized. The single fuel cell is a part of a stack of fuel cell system used for cogeneration of heat and work. The governing equations including the conservation equations of mass, momentum, energy and electrochemistry relations are solved by gPROMS software and validated using the data available in literature. The effect of quantities such as the rate of fuel consumption, amount of excess air and the percentage of pre reforming of fuel on the power and the efficiency of the fuel cell were evaluated. The results show that the percentage of the fuel pre reforming on the performance of fuel cell is more effective than other parameters and the power output and energy efficiency increase with it as well. Optimal working point of fuel cell with three objective functions (output power, the product of output voltage in voltage efficiency and output power in energy efficiency) has been obtained. The optimal current density is less than the current density of maximum power output. The optimal power output and energy efficiency taking minimum energy dissipation into account are 1.11W/cm2 and 42% respectively and by considering minimum exergy are 1.46 W/cm2 and 24%, respectively.