Su üstü savaş gemisinde NATO F-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili sistemi tasarımı ve analizi
Design and analysis of solid oxide fuel cell system on board surface warship
Yazar: CÜNEYT EZGİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. M. TURHAN ÇOBAN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel yakıtlar = Diesel fuels ; Modelleme = Modelling ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Katı oksitli yakıt pilleri, yüksek sıcaklıklarda çalışan seramik tipte yakıt pilleridir. Yakıt pilleri, su üstü gemilerde elektrik gücü üretimi için büyük bir potansiyel sağlar. Günümüzde savaş gemileri, F-76 deniz dizel yakıtını kullanmaktadır. Bu çalışmada, bir su üstü savaş gemisinde 120 kW güçte bir yardımcı makina olarak F-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili sistemi tasarlanmış ve termodinamik analizi yapılmıştır. Analizde gerçek gazlara ait termodinamik özelikler, Java programı kullanılarak hesaplanmıştır. Yakıt pili sistemi, dizel-elektrik jeneratör grubu ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, sistemin diğer bileşenleri ile ısı değiştiricilerin tasarımları yapılmıştır.Bu çalışmada, NATO F-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili sisteminde kullanılan ototermal reaktörün kimyasal kinetik modellemeye dayalı optimizasyonu yapılmıştır. Termodinamik hesaplamalar, model yakıt olarak n-tetradecane (C14H30) kullanılarak, ticari hesaplama aracı Comsol Reaction Engineering Lab. programı ile yapılmıştır. Çalışmada iki tip reaktör modeli seçilmiştir. Sabit hacimli sürekli karıştırmalı tank reaktörü (CSTR) ve boru tipi reaktör (PFR). Gaz fazındaki reaktant akışkanlar, ideal gaz kabul edilmiştir.NATO F-76 dizel yakıtının dönüştürülmesi ile elde edilen hidrojence zengin gaz ile çalışan üç boyutlu izotermal bir SOFC modeli geliştirilmiştir. Modelde, elektrokimyasal ve kimyasal reaksiyonlara bağlı momentum, kütle ve yük taşınımı kabul edilmiştir. Model, sonlu elemanlar metoduna dayalı kısmi diferansiyel denklem çözücüsü COMSOL 3.5'da uygulanmıştır. Model sonuçları, literatürden alınan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a ceramic type of fuel cell operating at elevated temperatures. Fuel cells provide great potential for electric power generation on-board surface ships. Today naval ships use NATO F-76 marine diesel fuel. In this study, A 120 kW F-76 diesel-fueled solid oxide fuel cell system (SOFC) as an auxiliary engine on-board a naval surface ship was designed and thermodynamically analyzed. In analysis, thermodynamic properties of real gases were calculated with using Java program. Fuel cell system was compared to diesel- electric generator set in a case surface warship. In addition, other components of system and heat exchangers were designed.In this study, Autothermal reformer (ATR) in NATO F-76 diesel fuelled solid oxide fuel cell system was optimized based on chemical kinetic modeling. ATR is the core of the fuel processing system.Our analysis determined reactor or catalyst volume based on chemical kinetic modeling of NATO F-76 for naval fuel cells. The thermodynamic calculations were made with a commercial calculation tool (Comsol Reaction Engineering Lab.) using n-tetradecane (C14H30) as model fuel and an enhanced set of considered species and thermodynamic data. In this study, reactor type are the Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) with constant volume and Plug-flow reactor (PFR). Reacting fluids in the gas phase are assumed to behave as ideal gases.A three-dimensional isothermal model of an SOFC operating with reformed NATO F-76 diesel fuel was developed. Momentum, mass and charge transport coupled with electrochemical and chemical reactions were considered. The model was implemented in COMSOL 3.5, a partial differential equation solver based on a finite element method. Results of model compared to experimental results obtained from literature.