Theoretical evaluation of solid oxide fuel cell and gas turbine combined systems fed by ethanol

การประเมินเชิงทฤษฎีระบบร่วมเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งและเครื่องกังหันก๊าซที่ป้อนด้วยเอทานอล

Name: Dand Saebea

LCSH: Solid oxide fuel cells

LCSH: Ethanol as fuel

LCSH: Membranes (Technology)

LCSH: Carbon dioxide -- Absorption and adsorption

Abstract: To present the performance analysis of a solid oxide fuel cell (SOFC) system fuelled by ethanol. The suitability of using ethanol for SOFC system is compared with other attractive renewable fuels, i.e., biogas and glycerol. The simulation results show that the SOFC system fuelled by ethanol provides the highest electrical and thermal efficiencies and less emission of carbon dioxide. The thermodynamic analysis of ethanol steam reforming indicates that high temperature and steam-to-carbon ratio are preferred operating conditions so as to obtain high hydrogen yield. The hydrogen production of ethanol steam reforming is improved when an adsorption-membrane hybrid system is considered. It is found that a higher hydrogen product can be obtained at a lower operating temperature and that the formation of carbon is likely to be reduced when a carbon dioxide adsorption is combined with the hydrogen production. Considering the integration of the ethanol steam reformer and SOFC, the recycle of anode exhaust gas to the reformer can reduce the energy required for preheating steam and enhance the electrical efficiency of the system. However, when SOFC is operated at high fuel utilization, an increase in the recirculation ratio of anode exhaust gas degrades the SOFC electrical efficiency. To improve the performance of SOFC system, a hybrid SOFC system with a gas turbine (GT) is also studied. The results show that the electrical efficiency of the SOFC-GT hybrid system raises with increasing the operating pressure (2-6 bar); however, the heat obtained from GT exhaust gas is reduced, thereby the SOFC-GT hybrid system cannot be operated at an energetically self-sustaining condition. Thus, the pressurized SOFC-GT hybrid system with a cathode exhaust gas recirculation is proposed with the aim to minimize the requirement of an external heat for air preheating, which is a major unit that requires the external heat. The results show that the SOFC-GT hybrid system with recycling cathode-exhaust gas can be run at the energetically self-sustaining condition. It is also found that a high cathode-exhaust gas recirculation ratio decreases SOFC electrical efficiency. Finally, a heat recovery of the SOFC-GT hybrid system is studied. Two designs of the SOFC system with uses of a high-temperature recuperative heat exchanger and a recirculation of cathode exhaust gas are compared. The results indicate that the SOFC system with cathode gas recirculation can achieve higher system efficiency and specific work.

Abstract: นำเสนอการวิเคราะห์สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ป้อนด้วยเชื้อเพลิงเอทานอล ในส่วนแรกของงานจะศึกษาถึงความเหมาะสมของการใช้เชื้อเพลิงเอทานอล สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ซึ่งถูกเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงที่สามารถผลิตขึ้นใหม่ได้ (Renewable fuel) ได้แก่ ไบโอแก๊สและกลีเซอรอล ผลที่ได้พบว่า การใช้เชื้อเพลิงเอทานอลจะทำให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และทางความร้อนของระบบมีค่ามากที่สุด นอกจากนี้ยังมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากระบบน้อยที่สุด เมื่อพิจารณาหลักทางเทอร์โมไดนามิกส์ของปฏิกิริยารีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอล ชี้ให้เห็นว่าปฏิกิริยานี้ต้องการดำเนินการที่สภาวะอุณหภูมิและอัตราส่วนของไอน้ำและเอทานอลที่สูง เพื่อได้ผลผลิตของไฮโดรเจนที่สูง การผลิตไฮโดรเจนของปฏิกิริยารีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอล จะถูกพัฒนาด้วยการพิจารณาการทำงานร่วมกันของตัวดูดซับและเยื่อเลือกผ่าน ซึ่งพบว่าผลิตภัณฑ์ของไฮโดรเจนที่ได้เพิ่มสูงขึ้นที่อุณหภูมิในการดำเนินการต่ำลง และการใช้ตัวดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในการผลิตไฮโดรเจน ยังช่วยให้แนวโน้มในการเกิดคาร์บอนลดลง สำหรับการพิจารณาการทำงานร่วมกันของเซลล์เชื้อเพลิงและกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยเอทานอล การรีไซเคิลก๊าซแอโนดไปยังรีฟอร์เมอร์ สามารถลดพลังงานในส่วนของการให้ความร้อนแก่ไอน้ำ และเพิ่มประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของระบบได้ แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อเซลล์มีอัตราการใช้เชื้อเพลิงภายในมาก การเพิ่มอัตราส่วนในการรีไซเคิลก๊าซแอโนด จะทำให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงลดลง เพื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบในการผลิตกระแสไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง ระบบของการทำงานร่วมกันระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง และเครื่องกังหันก๊าซจึงถูกศึกษาในงานนี้ ผลในการศึกษาของงานนี้ชี้ให้เห็นว่า ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของระบบจะมีค่าสูงขึ้นด้วยการเพิ่มความดันในช่วง 2-6 บาร์ แต่อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่ออกจากเครื่องกังหันก๊าซไปใช้ในหน่วยต่างๆ ลดลง ดังนั้นในงานนี้จึงเสนอระบบการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยการทำงานร่วมกันของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง และเครื่องกังหันก๊าซโดยรีไซเคิลก๊าซแคโทดบางส่วนกลับเข้าไปใช้ในเซลล์ เพื่อต้องการพลังงานที่ใช้จากภายนอกลดลงสำหรับการให้ความร้อนแก่อากาศ ซึ่งเป็นหน่วยที่ต้องการพลังงานจากภายนอกมากที่สุด ผลที่ได้พบว่าระบบที่ทำงานร่วมกันของเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องกังหันก๊าซที่รีไซเคิลก๊าซแคโทด สามารถดำเนินการได้โดยไม่อาศัยความร้อนจากภายนอก สำหรับการศึกษาการจัดการความร้อนภายในระบบที่ทำงานร่วมกันของเซลล์เชื้อเพลิง และเครื่องกังหันก๊าซถูกศึกษาในส่วนสุดท้ายของงาน โดยพิจารณาสองโครงสร้าง ซึ่งระบบแรกใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อุณหภูมิสูง และระบบที่สองใช้การรีไซเคิลก๊าซแคโทดบางส่วนจากเซลล์เชื้อเพลิง ผลที่ได้ชี้ให้เห็นว่าระบบที่สองจะให้ประสิทธิภาพสูงสุด

Chulalongkorn University. Office of Academic Resources

Address: BANGKOK

Email: cuir@car.chula.ac.th

Name: Amornchai Arpornwichanop

Role: advisor

Created: 2011

Modified: 2016-06-04

Issued: 2016-06-04

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

URL: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/24553

eng

DegreeName: Doctor of Engineering

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: Chulalongkorn University

©copyrights Chulalongkorn University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	dang_sa.pdf	2.7 MB	30	2025-10-07 00:51:29

ใช้เวลา

0.031429 วินาที