Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Theoretical analysis of sold oxide fuel cell with internal methane reforming

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

การวิเคราะห์ทางทฤษฎีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่เกิดการรีฟอร์มมิงของก๊าซมีเทนภายใน

Year (A.D.)

2009

Document Type

Thesis

First Advisor

Amornchai Arpornwichanop

Faculty/College

Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)

Degree Name

Doctor of Engineering

Degree Level

Doctoral Degree

Degree Discipline

Chemical Engineering

DOI

10.58837/CHULA.THE.2009.1642

Abstract

To present a performance analysis of a planar solid oxide fuel cell (SOFC) fed by methane with direct internal reforming under an intermediate temperature operation. The electrolyte material used in SOFC was focused on an oxygen ion-conducting (SOFC-O2-) and a proton-conducting electrolyte (SOFC-H+). A detailed electrochemical model that takes into account all voltage losses (i.e., ohmic, activation and concentration losses) used in this study was validated with experimental data reported in literature. The characteristic performance of SOFC was analyzed by considering the role of support structure and the effect of design parameters. The simulation results showed that an anode-supported design of both the SOFCs gives the best performance. Further, it was found that decreasing electrolyte thickness and increasing electrode pore size and porosity can improve the performance of SOFC-O2- and SOFC-H+. A decrease in cathode thickness has less effect on the performance of SOFC-O2- whereas a decrease in anode thickness is less sensitive to the performance of SOFC-H+. The performance of the anode supported SOFC-O2- and SOFC-H+ under the direct internal reforming operation of methane and isothermal condition was analyzed based on a one-dimensional steady-state fuel cell model coupled with a detailed electrochemical model taking into account all various voltage losses. It was found that increases in operating temperature, pressure and steam to carbon ratio can enhance the efficiency of both the SOFCs. Under the operating temperature of 1073 K and pressure of 1 atm, the performance of SOFC-H+ was considerably lower than SOFC-O2- because a low protonic conductivity of electrolyte leads to much higher ohmic loss in the SOFC-H+. In case of SOFC-H+, the effect of water content in oxidant was considered and found that the SOFC-H+ performance decreases with an increase in water content in oxidant. Further, high CO content at a fuel channel was observed and this may hinder the SOFC-H+ performance by reducing catalyst activity. To avoid the problems associated with low actual performance and the presence of high CO content at the fuel channel of SOFC-H+, a SOFC combined system consisting of SOFC-O2- and SOFC-H+ was proposed in this research. The performance of the SOFC system was primarily evaluated by using the SOFC model based on the conservation of mass and a detailed electrochemical model. The results showed that the performance of the SOFC-O2- -SOFC-H+ combined system provides a higher efficiency compared with the use of a single SOFC. Further, it was indicated that increasing the operating temperature, pressure, degree of pre-reforming as well as decreasing the inlet fuel velocity and cell voltage can improve the efficiency of the SOFC system.

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

นำเสนอการวิเคราะห์สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งแบบระนาบ ที่เกิดการรีฟอร์มมิงของก๊าซมีเทนภายในเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง ซึ่งดำเนินงานในช่วงอุณหภูมิปานกลาง เซลล์เชื้อเพลิงที่ศึกษาจะใช้อิเล็กโทรไลต์ทั้งแบบที่มีความสามารถในการนำออกซิเจนไอออนและนำโปรตรอน แบบจำลองทางไฟฟ้าเคมีซึ่งพิจารณาศักย์ไฟฟ้าสูญเสียทั้ง 3 ชนิด (ได้แก่ ศักย์ไฟฟ้าสูญเสียที่เกิดจากความต้านทานไฟฟ้า จากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี และจากความแตกต่างของความเข้มข้นของสาร) ที่นำมาใช้ในงานวิจัยนี้ได้ถูกเปรียบเทียบความถูกต้องกับผลการทดลองที่ได้จากงานวิจัยที่ผ่านมา สมรรถนะทางไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงถูกวิเคราะห์โดยการพิจารณาบทบาทของโครงสร้างรองรับเซลล์ และผลของพารามิเตอร์ที่เกี่ยวกับการออกแบบ ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้ขั้วแอโนดเป็นโครงสร้างรองรับ จะให้สมรรถนะที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่าการลดความหนาของชั้นอิเล็กโทรไลต์ และการเพิ่มขนาดรูพรุนและความพรุนของขั้วอิเล็กโทรดสามารถเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงทั้งสองประเภท ส่วนการลดความหนาของขั้วแคโทดและแอโนด จะไม่มีผลต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงแบบนำออกซิเจนไอออนและนำโปรตอนตามลำดับ สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้ขั้วแอโนดเป็นโครงสร้างทั้งสองประเภท โดยดำเนินการภายใต้สภาวะการรีฟอร์มมิงของก๊าซมีเทนภายใน และอุณหภูมิคงที่ถูกวิเคราะห์โดยอาศัยแบบจำลอง 1 มิติที่สภาวะคงตัว ร่วมกับแบบจำลองทางไฟฟ้าเคมี จากการศึกษาพบว่า การเพิ่มอุณหภูมิ ความดัน และอัตราส่วนเชิงโมลระหว่างน้ำต่อคาร์บอน สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงทั้งสองแบบได้ เมื่อพิจารณาที่อุณหภูมิ 1073 เคลวิน และความดันบรรยากาศ พบว่าสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงแบบที่มีการนำโปรตอนมีค่าน้อยกว่าแบบที่มีการนำออกซิเจนไอออนมาก เพราะอิเล็กโตรไลต์มีค่าการนำโปรตอนน้อยส่งผลให้เกิดค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้ามาก ในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงแบบนำโปรตอนพบว่าการเพิ่มปริมาณน้ำในก๊าซออกซิแดนซ์ ทำให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงลดลง และยังพบว่ามีก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เกิดขึ้นในช่องการไหลเชื้อเพลิงของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ในปริมาณสูง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งแบบที่นำโปรตอนที่เกี่ยวข้องกับสมรรถนะการทำงานที่ต่ำ และการเกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในปริมาณสูง งานวิจัยนี้จึงได้นำเสนอระบบร่วมของเซลล์เชื้อเพลิงที่ประกอบด้วย เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งแบบที่นำออกซิเจนไอออนและนำโปรตอน โดยสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงถูกวิเคราะห์โดยใช้แบบจำลองที่ได้มาจากสมการอนุรักษ์มวล และแบบจำลองไฟฟ้าเคมี จากการศึกษาพบว่า สมรรถนะของระบบร่วมของเซลล์เชื้อเพลิงจะให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบเดี่ยว และยังพบว่าการเพิ่มอุณหภูมิ ความดัน ระดับของการเกิดปฏิกิริยารีฟอร์มมิง และการลดความเร็วของการป้อนเชื้อเพลิง และค่าศักย์ไฟฟ้าในการดำเนินงานสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวได้

Link to Full Text

Share

COinS