Thermodynamic analysis of solid oxide fuel cell system using different ethanol reforming processes

Thanomjit, Chollaphan; Patcharavorachot, Yaneeporn; Ponpesh, Pimporn; Arpornwichanop, Amornchai

doi:10.1016/j.ijhydene.2015.03.155

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“…In Zhao and Virkar's experiments [34], the inlet fuel consisting of H 2 (97%)/H 2 O(3%) was passed through a solid oxide fuel cell, in which the thickness of the anode, cathode, and electrolytes were 1000, 20, and 8 µm, respectively. The simulated performance of the SOFC at 873 K, 973 K, and 1073 K by Thermolib [33] was consistent with the experimental and simulation data [34,35]. The j-V curves of the solid oxide fuel cell in this study are shown in Figure 2.…”

Section: Temperature-dependent System Performancesupporting

confidence: 78%

“…The simulations of the SOFC stacks and balance of plant (BOP) components are performed by using the thermodynamic system simulation module in MATLAB/Simulink. The accuracy was validated in the previous work [33] via comparison with the published numerical and experimental data [34][35]. In Zhao and Virkar's experiments [34], the inlet fuel consisting of H2(97%)/H2O(3%) was…”

Section: Temperature-dependent System Performancementioning

confidence: 90%

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A Dynamic Analysis of the Multi-Stack SOFC-CHP System for Power Modulation

et al. 2019

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This paper performs a dynamic analysis of a 10-kW solid oxide fuel cell/combined heat and power (SOFC-CHP) system with a multi-stack module via numerical simulations. The performance of stacks, tail gas burners, heat exchangers, and fuel reformers are modeled by the MATLAB/Simulink module. The effects of fuel and air maldistribution on SOFC-CHP systems are addressed in this work. A two-stack module for 10-kW power generation is adopted to represent the multi-stack module with high power modulation. The air flow rate and operating current, which are related to the fuel use rate of an SOFC system, should be optimally regulated to perform with maximum power generation and efficiency. The proposed dynamic analysis shows that the operating temperatures of the two stacks have a difference of 33 K, which results in a reduced total power generation of 9.77 kW, with inconsistent fuel use (FU) rates of 78.3% and 56.8% for the two stacks. With the optimal control strategy, the output power is increased to 10.6 kW, an increment of 8.5%, and the FU rates of the two stacks are improved to 79% and 70%, respectively. As a potential distributed power generator, the long-term effects of the studied SOFC-CHP systems are also investigated. The dynamic analysis of the long-term operating SOFC-CHP system shows that the total daily output power can be increased 7.34% by using the optimal control strategy.

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Section: Temperature-dependent System Performancesupporting

confidence: 78%

Section: Temperature-dependent System Performancementioning

confidence: 90%

A Dynamic Analysis of the Multi-Stack SOFC-CHP System for Power Modulation

et al. 2019

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“…The fuel reformation process can be carried out either internally or externally under technical and operational considerations associated to each. Moreover, the fuel reformation reaction pathways might be through various thermodynamically feasible mechanisms such as steam reforming, water-gas-shift reaction, partial oxidation, etc [9][10]. In spite of all promising opportunities mentioned, switching between numerous potential fuels and/or fuel reformation strategies is highly challenging due to the subsequent impacts on the system performance and control [11][12].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Evaluation of fuel diversity in Solid Oxide Fuel Cell system

Amiri

Tang

Steinberger‐Wilckens

et al. 2018

International Journal of Hydrogen Energy

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Operability of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) on numerous fuels has been widely counted as a leading advantage in literature. In a designed system, however, switching from a fuel to another is not practically a straightforward task as this causes several system performance issues in both dynamic and steady-state modes. In order to demonstrate the system fuel diversity capabilities, these consequences must be well-evaluated by quantifying the characteristic measures for numerous fuel cases and also potential combinations. From this viewpoint, the numerical predictive models play a critical role. This paper aims to investigate the performance of a SOFC system fed by various fuels using a demonstrated system level model. Process configuration and streams results of a real-life SOFC system rig published in literature are used to validate the model. The presented model is capable not only of capturing the system performance measures but also the SOFC internal variable distributions, allowing the multiscale study of fuel switching scenarios. The fuel change impacts on the system are simulated by considering various fuel sources, i.e., natural gas, biogas, and syngas. Moreover, applications of simulated fuel mixtures are assessed. The modelling results show significant concerns about fuel switching in a system in terms of variation of efficiencies, stack internal temperature and current density homogeneity, and environmental issues. Moreover, the results reveal opportunities for multi-fuel design to address the operation and application requirements such as optimisation of the anode off-gas recycling rate and the thermal-to-electrical ratio as well as the system specific greenhouse gases, i.e., g-COx/Wh release.

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“…Características importantes do sistema serão a estrutura híbri-da, com baterias que satisfazem as oscilações da carga elétrica sem requerer variações da potência produzida pela pilha [4], e a utilização direta do etanol sem processamento químico externo, que torna a estrutura do sistema mais simples [5]. Na bibliografia existente foram identificados vários modelos teóricos de sistemas de geração elétrica com PaCOS alimentadas com etanol [6][7][8][9][10][11] e estudos experimentais de pilhas a combustí-vel unitárias com características adequadas à operação com etanol anidro [12][13][14][15] ou hidratado [16][17][18][19]. Pelo outro lado, não foram identificados trabalhos focados em resultados experimentais da operação de empilhamentos comerciais ou laboratoriais com etanol como combustível (tanto puro quanto misturado com água).…”

Section: Introductionunclassified

Balanço de planta para microgerador PaCOS alimentado com etanol

Coralli

Miranda

2018

Matéria (Rio J.)

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RESUMOAs Pilhas a Combustível de Óxido Sólido (PaCOS) são conversores eletroquímicos particularmente adequados para a cogeração estacionária de energias elétrica e térmica com alta eficiência e baixo impacto ambiental, empregando diferentes combustíveis. No Brasil o uso de geradores PaCOS pode gerar benefícios ambientais e econômicos em várias situações; atributos que podem favorecer a difusão deles no país são a alimentação com etanol e a priorização da produção elétrica sobre a térmica. Nessa perspectiva, foi empreendido o desenvolvimento de um sistema PaCOS de microcogeração elétrica (500 W) alimentado com etanol, com eficiên-cia comparável às tecnologias convencionais (superior a 30 %). Característica importante do projeto é a estrutura híbrida, com baterias capazes de satisfazer as oscilações da carga elétrica sem requerer variações da potência da pilha. O sistema funcionará utilizando diretamente o combustível, sem processamento químico externo ao empilhamento, coisa que simplifica e diminui o custo do protótipo. Depois da pesquisa bibliográ-fica, foi formulado um modelo matemático do sistema, para avaliar diferentes topologias construtivas e buscar os melhores parâmetros operacionais. Baseando-se na simulação, foram adquiridos ou projetados os componentes auxiliários do sistema. Foram testados uma bomba, dois sopradores e um inversor comerciais, que resultaram adequados à aplicação. Os trocadores de calor, o conversor CC/CC necessário para conectar o empilhamento às baterias e o sistema de controle do protótipo foram projetados. Dois modelos de PaCOS comerciais foram testados com hidrogênio e com uma mistura de água e etanol, confirmando o funcionamento adequado da bancada de teste e comprovando a viabilidade da operação em regime de reforma interna do etanol. Foi verificado que, apesar de ser possível, a substituição do hidrogênio com etanol acarreta relevantes problemas como redução da potência máxima e instabilidade no funcionamento. Os resultados obtidos completam os dados presentes na literatura sobre o funcionamento de PaCOS alimentadas com etanol e vapor.Palavras-chave: Pilha a Combustível de Óxido Sólido, Etanol, Microgeração, Balanço de Planta. INTRODUÇÃOA tecnologia das PaCOS é globalmente reconhecida como promissora na área da geração elétrica de alta eficiência e baixo impacto ambiental, sendo particularmente adequada para a geração estacionária com diferentes combustíveis [1], incluindo o etanol. No Brasil, geradores PaCOS poderiam ser aplicados em várias situações produzindo benefícios ambientais e econômicos [2] e existe uma ampla infraestrutura de produção e uso de etanol [3], um combustível líquido de logística simples e baixa toxicidade. Nessa perspectiva, foi empreendido um projeto de pesquisa focado no desenvolvimento de um gerador elétrico PaCOS alimentado com etanol de potência na faixa da microcogeração. Características importantes do sistema serão a estrutura híbri-da, com baterias que satisfazem as oscilações da carga elétrica sem requerer variações da potência produzida pela pilh...

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Thermodynamic analysis of solid oxide fuel cell system using different ethanol reforming processes

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A Dynamic Analysis of the Multi-Stack SOFC-CHP System for Power Modulation

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Balanço de planta para microgerador PaCOS alimentado com etanol

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