Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/44108
Title: Performance improvement of solid oxide fuel cell system fed by methane
Other Titles: การเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็งป้อนด้วยมีเทน
Authors: Supawat Vivanpatarakij
Advisors: Suttichai Assabumrungrat
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: Suttichai.A@Chula.ac.th
Subjects: Solid oxide fuel cells
Fuel cells
Methane
เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง
เซลล์เชื้อเพลิง
มีเทน
Issue Date: 2007
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: The research focuses on the improvement of methane-fuelled solid oxide fuel cell system. Three improvements of the system were considered: 1) Operating under a non-uniform potential operation (SOFC-NUP), 2) Implementing a membrane reactor to the SOFC system (SOFC-MR) and 3) Integrating a CaO-CO₂ acceptor with the SOFC system (SOFC-CaO). For SOFC-NUP, the optimum split ratios of Sp,1 = 0.55 and Sp,2 = 0.45 was found to improve power density as high as 9.2%. In addition, the increase in the number of separated section (n) of the cell could increase the achieved maximum power density but less pronounced after n > 3. For SOFC-MR, an SOFC system integrated with a palladium membrane reactor operating at different modes; i.e., high pressure compressor (MR-HPC), vacuum pump (MR-V) and combined high pressure compressor and vacuum pump (MR-HPC-V) was considered. The power density of the SOFC was improved, depending on the increasing hydrogen recovery (). At high electrical efficiency, the SOFC-MR system became more attractive than the conventional system. It was found that the MR-HPC-V was the best operation mode among MR-SOFC systems. For the CaO-CO₂ acceptor SOFC systems, the CO₂ capture efficiency (Ec) depends on fresh feed CaO (F0), recycled CaO (FR) and amount of CO₂ ¬fed through. The CaO-CO₂ SOFC systems (i.e. CaO-After-Burner, CaO-After-SOFC and CaO-Before-SOFC) were compared with the conventional SOFC. Only CaO-Before-SOFC can improve SOFC performance which depends on both CO2 capture efficiency (Ec) and fuel utilization (Uf). The CaO-SOFC system can operate at lower cost than the conventional SOFC. The total added cost/reduced CO2 ($.mol-1) are in the sequence of the CaO-After-Burner > CaO-After-SOFC > CaO-Before-SOFC. Unfortunately, CaO-Before-SOFC can not reduce CO2 more than 40%. When the CO₂ reduction was required more than 40%, the CaO-After-SOFC was a suitable choice for the SOFC-CaO system.
Other Abstract: งานวิจัยนี้ศึกษาการเพิ่มสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็งที่ป้อนด้วยมีเทน โดยแนวทางการพัฒนาระบบนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 หัวข้อหลัก ดังนี้ 1) การดำเนินงานเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้ความต่างศักย์ที่ไม่คงที่ (SOFC-NUP) 2) การใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อเลือกผ่านชนิดพาลาเดียมเพื่อดำเนินงานร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็ง (SOFC-MR) 3) การเพิ่มหน่วยกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดำเนินงานร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็ง (SOFC-CaO) ผลการศึกษาพบว่าสำหรับการดำเนินงานแบบความต่างศักย์ที่ไม่คงที่นั้น กรณีที่ทำการแบ่งเซลล์เชื้อเพลิงเป็น 2 ส่วนที่ดำเนินงานที่ความต่างศักย์ไม่เท่ากัน จะได้ค่าความหนาแน่นพลังงานที่เพิ่มขึ้นสูงสุดถึง 9.2% เมื่อใช้ค่าสัดส่วนการแบ่งเซลล์ (split ratio) ที่เหมาะสมคือ ขั้นที่หนึ่งเท่ากับ 0.55 และขั้นที่สองเท่ากับ 0.45 นอกจากนี้ยังพบว่าการเพิ่มจำนวนการแบ่งช่วงของการดำเนินงานแบบความต่างศักย์ไม่เท่ากันของเซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็งได้ แต่เมื่อเพิ่มมากกว่า 3 ช่วงนั้น จะเพิ่มสมรรถนะเพียงเล็กน้อยเท่านั้น สำหรับกรณีที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อเลือกผ่านร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็ง (MR-SOFC) ได้ศึกษาวิธีการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อเลือกผ่าน 3 รูปแบบ คือ 1) กรณีใช้ความดันสูงเพียงอย่างเดียว (MR-HPC) 2) กรณีใช้ความดันสุญญากาศเพียงอย่างเดียว (MR-V) และ 3) กรณีใช้ความดันสูงควบคู่กับความดันสุญญากาศ (MR-HPC-V) การศึกษาพบว่าความหนาแน่นพลังงานไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับปริมาณของไฮโดรเจนที่สามารถแยกออกมาได้ กล่าวคือ ค่าความหนาแน่นพลังงานไฟฟ้าก็จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อสามารถแยกไฮโดรเจนออกได้มากขึ้น ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบในเชิงเศรษฐศาสตร์พบว่าระบบเซลล์เชื้อเพลิงร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อเลือกจะเหมาะสมกว่าระบบดั้งเดิมเมื่อดำเนินงานที่ค่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ยังพบว่าการใช้กรณีที่ใช้ทั้งความดันสูงควบคู่กับความดันสุญญากาศเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการดำเนินงาน ในส่วนของการศึกษาการเพิ่มหน่วยกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ทำงานร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็ง ได้พิจารณาระบบที่ติดตั้งหน่วยกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ตำแหน่งต่างๆ ของระบบ คือ 1) ติดตั้งก่อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิง 2) ติดตั้งหลังเข้าเซลล์เชื้อเพลิง และ 3) ติดตั้งหลังหน่วยเผา (after burner) พบว่าการติดตั้งก่อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถช่วยเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงได้เนื่องจากความเข้มข้นของไฮโดรเจนที่สูงขึ้นในสายป้อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม การติดตั้งที่ตำแหน่งนี้สามารถดำเนินงานได้เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ที่ต้องการแยกนั้นน้อยกว่า 40% จากการวิเคราะห์ทางด้านเศรษฐศาสตร์ที่ระดับความต้องการในการแยกคาร์บอนไดออกไซด์ต่างๆ พบว่า ที่การดำเนินงานโดย ที่สัดส่วนการใช้เชื้อเพลิงสูง จะสามารถลดค่าใช้จ่ายได้ และการติดหน่วยกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ก่อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ชนิดแข็งจะคุ้มค่าที่สุด แต่เมื่อต้องการลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่า 40% นั้น ระบบที่มีความเหมาะสมที่สุดคือระบบที่ติดตั้งหลังเข้าเซลล์เชื้อเพลิง
Description: Thesis (D.Eng.)--Chulalongkorn University, 2007
Degree Name: Doctor of Engineering
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/44108
URI: http://doi.org/10.14457/CU.the.2007.1807
metadata.dc.identifier.DOI: 10.14457/CU.the.2007.1807
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Supawat_Vi.pdf1.99 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.