Process Modelling and Optimisation of a Planar Solid Oxide Fuel Cell-Micro Gas Turbine Hybrid Power System

Abstract

Bu çalışmada, düzlemsel katı oksit yakıt hücresi/gaz türbini hibrid güç sistemi için bir sıfır boyutlu sistem seviyesine sahip sürekli rejimde termodinamik model, farklı çalışma parametrelerinin başlıca bileşenlerinin gücü ve seçilen hibrid sistemin performansı üzerine etkilerini incelemek için geliştirildi. Bu parametreler, sistem basıncı, KOYP çalışma sıcaklığı, akım yoğunluğu, buhar karbon oranı, hava kullanım faktörü ve yakıt kullanım faktörüdür. Ayrıca, güç çıkışı ve hibrid sistemin performansı, iki farklı konfigürasyonda incelendi. Bunlar, anot destekli model ve elektrolit destekli modeldir. Hibrit sistem modeli, optimum çalışma koşullarını hesaplamak ve hibrid sistemin performans özelliklerini belirlemek için MATLAB'da uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; anot destekli model için 7.7 bar basınçta en fazla 717.82 kW güç üretilir iken elektrolit destekli model için 12 bar basınçta maksimum 630.3 kW güç üretilmektedir. Elektrik sisteminin en yüksek verimi, anot destekli model için 750 ° C'de % 64.61 iken, elektrolit destekli model için en yüksek elektrik sistemi verimi, 1050 ° C'de % 58.35'dir. Diğer taraftan, anot destekli model ve elektrolit destekli model için maksimum ekserji verimi sırasıyla % 62.32 ve % 56.23'tür. KOYP çalışma sıcaklığı ve yakıt kullanma faktörü, elektrik sistemi verimliliğini ve elektrik sistemi ekserjisini arttırmak için yüksek bir seviyede tutulmalıdır. Hava kullanım faktörünün artması, elektrik gücü çıkışı ve toplam sistemin verimliliği üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir.

In this study, a system level zero-dimensional steady-state thermodynamic model for planar solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid power system has been developed to investigate the impact of various operating parameters on the power of the main components and the performance of a selected hybrid system. Moreover, the power output and the performance of the hybrid system were investigated in two different configurations: anode-supported model and electrolyte-supported model. The model of the hybrid system was implemented in MATLAB to calculate the optimum operating conditions and determine the performance characteristics of the hybrid system. According to the results; maximum 717.82 kW power is produced at 7.7 bar pressure for the anode-supported model whereas maximum 630.3 kW power is produced at 12 bar pressure for the electrolyte-supported model. The highest electrical system efficiency is 64.61% at 750°C for the anode-supported model while the highest electrical system efficiency is 58.35% at 1050°C for the electrolyte-supported model. On the other hand, the maximum exergy efficiencies for the anode-supported model and the electrolyte-supported model are 62.32% and 56.23%, respectively. Besides, the SOFC operating temperature and fuel utilization factor should be kept at a high level in order to enhance the electrical system efficiency and electrical system exergy. Increment the air utilization factor has a negative impact on the electrical power output and the efficiencies of the overall system.