Katı oksit yakıt hücreli enerji üretim sistemlerinin alternatif kriterlere göre performans analizi
Performance analysis of solid oxide fuel cell based energy generation systems with alternative criteria
Yazar: ALİ VOLKAN AKKAYA
Danışman: PROF.DR. BAHRİ ŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Gaz türbini = Gas turbine ; Kojenerasyon = Cogeneration ; Performans analizi = Performance analysis ; Polarizasyon = Polarization

Özet:
Katı oksit yakıt hücreli enerji üretim sistemleri, konvansiyonel sistemlere göre daha verimli ve çevresel açıdan daha duyarlı olmaları nedeni ile 21. yy'ın enerji üretim sistemleri olarak öngörülmektedir. Bu yeni teknolojiye dayanan enerji üretim sistemlerinin performans karakteristiklerini araştırmanın ve geliştirmenin en kolay, ucuz ve etkin yolu modelleme ve simülasyon çalışması yapmaktır.Bu çalışma, katı oksit yakıt hücreli enerji üretim sistemlerinin performanslarını ve bu performanslar üzerinde çeşitli işletme ve dizayn parametrelerinin etkisini analiz etmeye imkan tanıyan termodinamik modeller oluşturmayı amaçlamaktadır. Katı oksit yakıt hücreli enerji üretim sistemlerini oluşturan komponentler ayrı ayrı ele alınmış ve elektrokimyasal, kimyasal ve termodinamik prosesler göz önünde bulundurularak matematiksel modelleri oluşturulmuştur. Öncelikle çalışmanın temelini oluşturan tüpsel bir katı oksit yakıt hücresinin ohmik, aktivasyon ve konsantrasyon polarizasyonlarını içeren elektrokimyasal model sunulmuştur. Daha sonra metanı hidrojene dönüştürebilen katı oksit yakıt hücre modülü geliştirilmiştir. Çeşitli komponentlerin (reküperatör, gaz türbini, atık ısı kazanı) katı oksit yakıt hücre modülüne entegresi ile ısı ve elektrik üretimi yapabilen farklı sistemler tasarlanmış ve matematiksel olarak modellenmiştir.Sistem konfügürasyonları bir bilgisayar yazılım programında kodlanarak bilgisayar modelleri oluşturulmuş ve verilen belirli şartlarda simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları literatürdeki deneysel veriler ile karşılaştırılarak geliştirilen modellerin güvenirlikleri gösterilmiştir. Net güç çıktısı, I. kanun verimi, ekserji çıktısı, ekserji kaybı, ekserji verimi gibi kriterler sistemlerin performanslarını değerlendirmek için kullanılmıştır. Ayrıca, ekserjitik performans katsayısı olarak adlandırılan ve birim ekserji kaybı başına elde edilen toplam ekserji değerini ifade eden yeni bir kriter, oluşturulan yakıt hücreli sistemlerinin performanslarını değerlendirmek için uygulanmıştır.Sonuç olarak, tasarlanan modeller sayesinde katı oksit yakıt hücreli enerji üretim sistemleri alternatif performans kriterlerine dayalı olarak değerlendirilebilmekte, enerjitik ve ekserjitik açıdan en uygun işletme ve dizayn parametrelerinin belirlenmesinde bir açılım sağlanabilmektedir.Anahtar Kelimeler: Tüpsel katı oksit yakıt hücresi, elektrokimyasal model, polarizasyonlar, performans analizi, ekserji, ekserjitik performans katsayısı, gaz türbini, kojenerasyon, hibrit sistemler

Abstract:
Solid oxide fuel cells are conjectured as 21th century?s energy generation systems due to high efficiency and environmental friendliness compared to conventional energy generation systems. Modeling and simulation studies of this new technology based energy generation systems are the easiest, cheapest and the most effective way to research and develop their performance characteristics.This study aims to develop the thermodynamic models providing the performance analysis, and giving the effects of design and operation parameters on the performance of solid oxide fuel cell based energy generation systems. The mathematical models of solid oxide fuel cell based energy generation systems are developed with combining each component models taking into account the electrochemical, chemical and thermodynamic processes. Initially, an electrochemical model of single tubular solid oxide fuel cell is presented which is consisted of ohmic, activation and concentration polarizations. Afterwards, solid oxide fuel cell module model that is able to convert methane fuel to hydrogen is developed. Different systems producing heat and electricity are designed with integration various components (recuperator, gas turbine, heat recovery steam generation) to the solid oxide fuel cell module, and these systems are modeled mathematically.Computer models of these system configurations are written in a computer software program, and simulations are carried out at the given certain conditions. Simulation results are compared to the experimental data in the literature, with this way; the developed models are validated. Net power output, first law efficiency, exergy output, exergy efficiency, exergy loss are used to evaluate performance of the systems. In addition, a new criterion, which is called the exergetic performance coefficient and defined as the ratio of total exergy output to the total exergy loss, is applied to assess the performance of the systems.As a conclusion, solid oxide fuel cell based energy generation systems can be evaluated on basis of alternative performance criteria, and also an informative expansion can be provided in the determination of the most convenient design and operation parameters based on energetic and exergetic approaches by means of this study.Keywords: Tubular solid oxide fuel cell, electrochemical model, polarizations, performance analysis, exergy, exergetic performance coefficient, gas turbine, cogeneration, hybrid systems