پیل سوختی اکسید جامد

از جمله مواردی که به عنوان راه حلی برای کاهش مصرف انرژی و کاهش آلودگی هوا استفاده وسیعی یافته است، سیکل های تولید همزمان برق و حرارت یاCHP می باشد. در این گونه سیکل ها گازهای خروجی از توربین گاز وارد واحد تولید بخار گشته تا بخار یا آب گرم مصرفی مورد نیاز را تولید کند. در این میان و با توجه به کاربرد روز افزون پیل های سوختی اکسید جامد، سیکل های ترکیبی شامل پیل سوختی، توربین گاز و بویلر بازیاب مورد توجه قرار گرفته شده است. در این مقاله سیکل ترکیبی شامل پیل سوختی، توربین گاز و بویلر بازیاب از نظر ترمودینامیکی تحلیل شده و نتایج عملکرد آن با سیکل CHP معمولی مقایسه شده است. مدلسازی الکتروشیمیایی و شیمیایی پیل سوختی و همچنین آنالیز اگزرژی و ترمودینامیکی کلیه اجزای سیکل انجام شده است. در دامه تغییرات عملکرد سیکل با پارامترهای اساسی سیکل مانند دمای محصولات احتراق ورودی به توربین گاز، فشار بخار بویلر بازیاب، نقطه پینچ، شدت جریان و دمای استک پیل سوختی، مورد بررسی قرار گرفته و نتایج تحلیل شده اند. بنابر نتایج حاصله، راندمان سیکل ترکیبی شامل پیل سوختی به مراتب بالاتر می باشد.

در این مقاله، عملکرد و مشخصات ریزساختاری تک سل پیل سوختی اکسید جامد با انجام آزمونهای تجربی و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و همچنین مدلسازی عملکرد مورد بررسی قرار گرفته است. این تک سل ها به جهت استفاده از روش های تولید انبوه و اقتصادی با روش های ریخته گری نواری و چاپ صفحه ای ساخته شده اند که فرآیند تولید آنها ارائه می گردد. همچنین با استفاده از مدل عملکرد الکتروشیمیایی و مشخصات ریزساختاری تک سل، افت های قطبش اهمی، فعال سازی و غلظتی حاصل از لایه های مختلف تک سل محاسبه می شود. براساس نتایج حاصل از محاسبات مدل سازی عملکرد افت فعال سازی آند، کاتد و اهمی بیشترین تاثیر در کاهش توان حاصل از پیل سوختی را موجب می شوند. به این ترتیب، ریز ساختار و هندسه لایه های تک سل نقش اصلی را در عملکرد آن دارند. به علت درشت دانه بودن ذرات و حفره در لایه آند نسبت به لایه کاتد افت فعال-سازی آن بیشتر می باشد. ارزیابی عملکرد با مدل الکتروشیمیایی از تک سل های تولیدی به روش ریخته گری نواری و چاپ صفحه ای به عنوان ابزار مهمی می تواند کمک به بهبود و بهینه سازی فرآیند ساخت در مطالعات آتی نماید.

در این پژوهش ابتدا یک سیستم تولید همزمان برق، گرمایش و سرمایش بر اساس پیل سوختی اکسید جامد با استفاده از گاز طبیعی معرفی می شود. برای توسعه مدل کامل سیستم ترکیبی، معادلات مبدل سوخت داخلی، روابط الکتروشیمیایی، گرمایش و سرمایش بصورت همزمان حل شده اند. برای استفاده از گرمای تولید شده مازاد بر تقاضا، دو سناریو معرفی شده است. در سناریوی اول از گرمای مازاد برای تولید بخار آب استفاده می شود و بخار آب تولید شده به توربین گاز تزریق می شود که این فرایند 1/27 % بازده سیستم تولید سه گانه و 1/3 kW توان الکتریکی تولیدی را افزایش می دهد. در سناریوی دوم، بخار آب مازاد بر تقاضا در توربین بخار جهت تولید برق استفاده می شود که در این حالت 1/7 % بازده تولید سه گانه و 1/7 kW توان تولیدی را افزایش می دهد. به این ترتیب، چنانچه گرمای تولید شده سیستم تولید همزمان به درستی مدیریت شود، راندمان کلی سیستم تبدیل انرژی می تواند تا 85 % افزایش یابد.