Doğalgaz beslemeli bir PEM yakıt pili sisteminin enerji ve ekserji analizi
Energy and exergy analysis of naturalgas feed PEM fuel cell system
Yazar: AHMET ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. ALP ER KONUKMAN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji geri kazanımı = Energy recovery ; Hidrojen = Hydrogen ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu çalışmada, buhar reformasyonuyla hidrojen üretimi yapan ve üretilenhidrojeni PEM yakıt pilinde kullanarak elektrik enerjisi üreten bir sistem AspenPlus(v7) programıyla modellenmektedir. Öte yandan, simülatörün mevcut özellikleri ileproses akımlarının ekserjileri hesaplanamamaktadır. Bu nedenle, öncelikleFORTRAN programlama dili kullanılarak yazılan alt rutinler yardımı ile sistemeekserji yetisi kazandırılmıştır. Sistemin enerji analizleri AspenPlus (v7) programınınkendi araçları kullanılarak, ekserji analizleri ise FORTRAN alt rutinlerininsimülatöre entegre edilmesiyle gerçekleştirilmektedir.Çalışmada ilk olarak sistemin enerji analizi yapılmıştır. Enerji analizisonuçlarına göre sistemde yüksek miktarlarda enerji tüketimi gerçekleştiği ve bununsistemin ekserji performansını olumsuz yönde etkilediği ortaya çıkmıştır. AyrıcaBuhar/Karbon oranı (S/C), reformer sıcaklığı ve çalışma basıncı parametrelerininsistemin enerji ve ekserji davranışları üzerine olan etkileri araştırılmıştır. Sisteme ısıentegrasyonu uygulanmış ve ısı entegrasyonu ile sistemin enerji tüketiminde %53,36oranında bir tasarruf, enerji veriminde ise %37 oranında bir iyileştirmesağlanabileceği ortaya çıkarılmıştır.Entegrasyonlu yeni sistemin çalışma parametrelerine göre esnekliği belirlenmişve yeni sistemin ekserji analizi yapılmıştır. Entegrasyonlu sistemin ekserji analizininsonuçları ise sürecin ekserji performansının enerji tüketimi ile doğrudan ilişkisiolduğunu ve ısı entegrasyonu sonucunda ekserji yıkımında %7,14 oranında birazalma kaydedileceğini işaret etmiştir.

Abstract:
In this study, PEM fuel cell system with hydrogen production unit is modeledand simulated in AspenPlus (v7) process simulator. On the other hand, exergyanalysis cannot be made by using the simulators own tools. For this reason, firstlyexergy ability is introduced to the system with the help of external FORTRANsubroutines which are integrated to the simulator. Energy analysis of PEM fuel cellsystem is made by the process simulators own tools and exergy analysis is made bythe integrated subroutines.Firstly energy analysis of the PEM fuel cell system has been done in this study.According to the energy analysis results, it has been revealed that the energyconsumption is very high and it affects the exergetic performance negatively.Furthermore, steam to carbon ratio (S/C), reformer temperature and operatingpressure parameters effect on the system?s energy and exergy behavior areinvestigated in this study. Heat integration is performed to the system and 53.36% ofsaving for the energy consumption, 35% enhancement for the energy efficiency ofthe system is provided.Integrated system flexibility is specified with respect to operating parametersand exergy analysis of the new system has been performed. The exergy analysis ofintegrated system results indicates that the process of the exergy performance has adirect relationship with the energy consumption, also heat integration resultsdemonstrate a %7.14 reduction in exergy destruction.