IJE TRANSACTIONS A: Basics Vol. 28, No. 4 (April 2015) 618-626   

PDF URL: http://www.ije.ir/Vol28/No4/A/17-1936.pdf  
downloaded Downloaded: 164   viewed Viewed: 1907

N. Shokati, F. Ranjbar and F. Mohammadkhani
( Received: April 15, 2014 – Accepted: March 13, 2015 )

Abstract    In this work, single-stage and two-stage tubular solid oxide fuel cell (SOFC)/gas turbine hybrid cycles are comparatively examined from the energy and exergy viewpoints. For this purpose, mass, energy and exergy balances are applied to all components of the cycles. The behavior of tubular solid oxide fuel cell modeled in this study is validated with the experimental test data of tubular SOFC developed by Siemens Westinghouse. The results of simulation show that two-stage SOFC-GT hybrid cycle not only generate more power,but also it has high efficiency in comparison to single-stage SOFC-GT. The values of first law efficiency and Exergetic Performance Coefficient (EPC) are increased from 60.69% and 1.405 in single-stage SOFC-GT to 63.93% and 1.725 in two-stage SOFC-GT respectively. This means that for equivalent generated power of single and two-stage SOFC-GT hybrid cycles, the amount of exergy destruction for two-stage SOFC-GT cycle is less than single-stage SOFC-GT. Also exergy destruction of all components of the hybrid cycles is calculated separately and results are compared. Finally a parametric study is performed to find out optimal values for solid oxide fuel cell design parameters. Effects of these parameters are evaluated on efficiency, generated power and total exergy destruction of the hybrid cycles.


Keywords    Tubular solid oxide fuel cell, efficiency, gas turbine, exergy destruction, Exergetic Performance Coefficient (EPC), hybrid cycle, parametric study


چکیده    در این مقاله سیکل­های ترکیبی یک مرحله­ای و دومرحله­ای پیل سوختی اکسید جامد لوله­ای (SOFC) و توربین گازی از نظر انرژی و اگزرژی مورد بررسی قرار می­گیرند. سوخت مورد استفاده در این سیکل­های ترکیبی سوخت متان است. قوانین پیوستگی، انرژی و اگزرژی برای کلیه­ی اجزای این دو سیکل ترکیبی نوشته شده و این سیکل­های ترکیبی از نظر ترمودینامیکی شبیه­سازی شده و با هم مقایسه گردیده است. رفتار پیل سوختی اکسید جامد لوله­ای مدل­سازی شده در این تحقیق، با نتایج تجربی شرکت زیمنس- وستینگهاوس مقایسه و اعتبارسنجی شده است. نتایج شبیه­سازی سیکل­های ترکیبی مورد بررسی نشان می­دهد که سیکل ترکیبی دو مرحله­ای پیل سوختی اکسید جامد وتوربین گازی علاوه بر تولید توان بیشتر نسبت به سیکل ترکیبی یک مرحله­ای SOFC-GT دارای راندمانی به میزان 3 درصدبیشتر است یعنی بازده قانون اول از 69/60 درصد برای سیکل یک مرحله­ای SOFC-GTبه 93/63 درصد در سیکل دو مرحله­ای SOFC-GT افزایش پیدا کرده است. همچنین ضریب عملکرد اگزرژی که نسبت توان تولیدی به اتلافات کلی سیکل ترکیبی است از مقدار 405/1 برای سیکل یک مرحله­ای به مقدار 725/1 برای سیکل دو مرحله­ای SOFC-GT افزایش یافته است. به­عبارتی دیگر به ازای تولید توان برابر برای سیکل­های ترکیبی یک و دو مرحله­ای، میزان تخریب اگزرژی یا اتلافات کلی سیکل ترکیبی دو مرحله­ای SOFC-GT کمتر از سیکل ترکیبی یک مرحله­ای خواهد بود.علاوه براین اتلافات اگزرژی تک تک اجزای هر دو سیکل ترکیبی بدست آمده و با همدیگر مقایسه گردیده است. همچنین برای تحلیل بهتر و دقیق­تر این دو سیکل ترکیبی و برای یافتن مقادیر بهینه برای پارامترهای طراحی پیل سوختی اکسید جامد لوله­ای، مطالعه پارامتریکی بر روی این سیکل­ها انجام گرفته و تاثیر این پارامترها بر بازده ترمودینامیکی، توان تولیدی و اتلافات کلی این سیکل­های ترکیبی مورد تحلیل و بررسی قرارگرفته است.


1.        Vielstich, W., Lamm, A. and Lamm, H., "Fundamentals technology and applications", New York, Wiley Publishing, (2004).

2.        EG&G Technical Services , Inc . "Fuel Cell Handbook", 7th edition, U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, (2004).

3.        Costamagna, P., Magistri, L. and Massardo, A., “Design and part-load performance of a hybrid system based on a solid oxide fuel cell reactor and a micro gas turbine” , Power Sources, Vol. 96, (2001), 352-368.

4.        Park, S.K., Oh, K.S. and Kim, T.S., “Analysis of the design of a pressurized SOFC hybrid system using a fixed gas turbine design”, Power Sources, Vol. 170, (2007), 130 – 139.

5.        Calise, F., Palombo, A. and Vanoli, L., “Design and Partial load exergy analysis of hybrid SOFC– GT power plant”, Power Sources, Vol. 158, (2006), 225–244.

6.        Rao, A.D. and Samuelsen, G.S., “A thermodynamic analysis of tubular solid oxide fuel cell based hybrid systems”, transactions of the ASME , Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 125, (2003), 59–66.

7.        Chan, S.H., Kho, K.A. and Xia Z.T., “A complete polarization model of a solid oxide fuel cell and its sensitivity to the change of cell component thickness”, Power Source, Vol. 93, (2001), 130-140.

8.        Aloui T. and Halouani K., “Analytical modeling of polarization in a solid oxide fuel cell using biomass gas product as fuel”, Applied Thermal Engineering , Vol. 27, (2007), 731-737.

9.        Palsson, J., "Thermodynamic modeling and performance of combined cycle and gas turbine system", Department of Heat Power Engineering , Lund university of Sweden, (2002).

10.     Jia, J., Li, Q., Luo, M., Wei, L. and Abudula, A., “Effects of gas recycle on performance of solid oxide fuel cell power systems”, Energy, Vol. 36, (2011), 1068-1075.

11.     Akkaya, A.V., “Electrochemical model for performance analysis ofa tubular SOFC”, International Journal of Energy Research, Vol. 31, (2007), 79-98.

12.     Bavarsad, P.G., “Energy and exergy analysis of internal reforming solid oxide fue cell–gas turbine hybrid system”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, (2007), 4591 – 4599.

13.     Haseli, Y., Dincer, I. and Naterer, G.F., “Thermodynamic analysis of a combined gas turbine power system with a solid oxide fuel cell through exergy”, Thermochimica Acta, Vol. 480, (2008), 1–9.

14.     Akkaya, A.V., Shahin, B. and Erdem, H.H., “An analysis of SOFC/GT CHP system based on exergetic performance criteria”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, (2008) 2566 – 2577.

15.     Zabihian, F., Fung, A., “A Review on Modeling of Hybrid Solid Oxide Fuel Cell Systems”, International Journal of Engineering, Vol. 3, (2009) 85 – 119.

16.     Kouhi, S., Ranjbar, M.R., Mohammadian, M., Khavaninzadeh, M., “Economic Aspect of Fuel Cell Power as Distributed Generation”, International Journal of Engineering, Vol. 27, (2014) 57 – 62.

17.     Duan, L., Huang, K., Zhang, X., Yang, Y., “Comparison study on different SOFC hybrid systems with zero-CO2 emission”, Energy, Vol. 58, (2013) 66-77.

18.     Choi, J.H., Ahn, J.H., Kim, T.S., “Performance of a triple power generation cycle combining gas/steam turbine combined cycle and solid oxide fuel cell and the influence of carbon capture”, Applied Thermal Engineering, Vol. 71,(2014)301-309.

19.     Chinda, P., Brault, P., “The hybrid solid oxide fuel cell (SOFC) and gas turbine (GT) systems steady state modeling”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, (2012) 9237 – 9248.

20.     Choudhury, A., Chandra, H., Arora, A., “Application of solid oxide fuel cell technology for power generation- A review”,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 20, (2013) 430–442.

21.     Brouwer, J., “Hybrid fuel cell gas turbine (FC/GT) combined cycle systems”, Combined Cycle Systems for Near-Zero Emission Power Generation, (2012) 265-282.

22.     Larminie, J. and Dicks A., "Fuel Cell Systems Explained", second edition, New York, Wiley Publishing, (2003).

23.     Campanari, S. and Iora, P., “Definition and sensitivity analysis of a finite volume SOFC model for a tubular cell geometry”, Power Sources, Vol.132, (2004), 113–126.

24.     Milewski, J., Swirski, K., Santarelli, M. and Leone P., “Advanced methods of solid oxide fuel cell modeling”, New York, Springer-Verlag, (2011).

25.     Jafarmadar, S., “The numerical exergy analysis of H2/Air combustion with detailed chemical kenetic simulation model”, International Journal of Engineering, Vol. 25, No. 3, (2012) 239 – 248.

26.     Singhal, SC., “Advances in solid oxide fuel cell technology”, Solid State Ion, Vol.135, (2000), 305–313.  

Download PDF 

International Journal of Engineering
E-mail: office@ije.ir
Web Site: http://www.ije.ir