PEM yakıt pili için buhar reformasyonuyla hidrojen üreten sistemin modellenmesi ve enerji geri kazanımı
Modelling of the hydrogen production system by steam reforming for PEM fuel cell and energy recovery
Yazar: KEMAL ÜÇLER
Danışman: DOÇ. DR. ALP ER KONUKMAN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Modelleme = Modelling ; Proton değişimi = Proton exchange

Özet:
Hidrojenin günümüzde kullanılabilir hale gelmesi için hidrojen üretim maliyetinin düşürülmesi gerekmektedir. Bu çalışmada PEM yakıt pili için buhar reformasyonuyla hidrojen üreten bir sistem CHEMCAD kullanılarak modellenmektedir. Isı değiştirici sayısı ve utilite yükü en az olan entegrasyonlu sistem dizaynı için Darboğaz Teknolojisi kullanılmaktadır. Böylece ısı değiştirici ağı, yeni ısı değiştiriciler ve ısı motoru entegrasyonuyla iyileştirilmektedir. Bu değişiklikler için ek yatırım maliyeti gerekmesine rağmen yıllık utilite maliyeti azalmaktadır. Böylece hidrojen üretim maliyeti azalmaktadır. Üzerinde çalışılan entegrasyonlu sistem için yatırımın geri dönme süresi yaklaşık olarak iki yıl olmaktadır.Entegrasyonlu yeni sistem üzerinde buhar/karbon oranı, reformer sıcaklığı, çalışma basıncı ve değişik besleme gazlarının kullanılması parametrelerinin etkileri araştırılmıştır. Entegrasyonlu sistemin çalışma esnekliği bu parametreler için azalmıştır. Ayrıca belirtilen parametreler için enerji ve maliyet analizleri yapılmıştır. Entegrasyonlu ve entegrasyonsuz sistemlerin yıllık toplam maliyetleri buhar/karbon oranı, reformer sıcaklığı, çalışma basıncı parametrelerine bağlı olarak karşılaştırılmaktadır. Tüm parametreler için entegrasyonlu sistemin yıllık toplam maliyetinin, entegrasyonsuz sistemin yıllık toplam maliyetinden daha az olduğu tespit edilmiştir. Çalışılan aralıkta buhar/karbon oranı ve reformer sıcaklığı artışına bağlı olarak toplam yıllık maliyetin azaldığı, çalışma basıncının artmasına bağlı olarak ise arttığı görülmektedir.

Abstract:
Nowadays, hydrogen production cost should be reduced in order for hydrogen to be utilizable widely. In this study, a hydrogen production system by steam reforming for PEM Fuel Cell is modeled using CHEMCAD. The Pinch Technology is used for integrated system design to achieve an optimum design by minimizing the number of heat exchangers and utility load. Thereby heat exchanger network is retrofitted with new heat exchangers and heat engine integration. Although these modifications require additional investment cost, the annual utility cost is reduced. Thus hydrogen production cost is reduced. The pay-back time period for this integrated system is approximately two years. The effects of steam/carbon ratio, reformer temperature, operating pressure, and usage of various feed gases on the new integrated system are investigated. The operating flexibility of integrated system is decreased. In addition, energy and cost analysis are performed in the parameters stated before. Annual total costs of integrated and non-integrated systems are compared in terms of steam/carbon ratio, reformer temperature and operating pressure. Annual total cost of integrated system, taking all parameters into consideration, are determined to be less than that of non-integrated system. Annual total cost at the studied ranges of parameters decreases depending on the increase in steam/carbon ratio and reformer temperature, and also increases in terms of the increase in the operating pressure.