Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/15782
Title: Performance analysis of solid oxide fuel cell system fed by biogas
Other Titles: การวิเคราะห์เชิงสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ป้อนด้วยแก๊สชีวภาพ
Authors: Pakorn Piroonlerkgul
Advisors: Suttichai Assabumrungrat
Navadol Laosiripojana
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: fchsas@eng.chula.ac.th
Navadol.L@Chula.ac.th
Subjects: Solid oxide fuel cells
Biogas
Issue Date: 2008
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: The research focuses on the simulation of solid oxide fuel cell (SOFC) systems fuelled by biogas. The study is divided into four parts: the investigation of carbon formation in SOFC system, the selection of suitable reforming agent for SOFC system, the technical and economic analyses of different configurations of SOFC systems, and the study on the operation viability of SOFC stack fed by different feedstocks. The study on carbon formation in SOFC system indicates that the addition of supplementary reforming agent such as steam and air simultaneously with biogas to SOFC system is required to alleviate the carbon formation. The use of oxygen-ion conducting electrolyte in SOFC stack is preferred since steam produced in anode section can inhibit the carbon formation. For the topic of reforming agent selection, steam is found to be the most suitable reforming agent for SOFC system relative to air, and combined steam and air. SOFC system fed by steam offers extremely higher power density compared to that fed by the other reforming agents. Three major configurations of SOFC system are proposed in this research; i.e., SOFC equipped with palladium membrane reactor (PMR-SOFC), SOFC equipped with CO2 separator (M-SOFC/A-SOFC) and SOFC equipped with both palladium membrane reactor and CO₂ separator (SE-PMR-SOFC/SER-PMR-SOFC). For PMR-SOFC, it can offer higher power density compared with conventional SOFC system (CON-SOFC); however, it is not a good choice in the economic viewpoint. SOFC equipped with CO₂ separator is divided into two configurations; SOFC equipped with CO₂-selective membrane (M-SOFC) and SOFC equipped with CaO-CO₂ acceptor (A-SOFC). M-SOFC is not the interesting configuration due to the loss of CH4 in permeation section of membrane module. A-SOFC can become attractive candidate for SOFC system since it offers higher performance and potential benefit compared to CON-SOFC. SE-PMR-SOFC can offer superior power density to CON-SOFC. The recycle of retentate gas of PMR (SER-PMR-SOFC) can improve the performance of SE-PMR-SOFC; however, both SE-PMR-SOFC and SER-PMR-SOFC are not the interesting alternative in economic viewpoint. Nevertheless, with this configuration, all CO₂ generated in this system can be captured. Operating viability of SOFC stack fuelled by different feedstocks is finally investigated employing 1-D analysis. Pure-H₂ feed offers the highest performance for SOFC among the other feeds. Extremely high excess air is required for SOFC fed by biogas to become operation viable. Moreover, its power density is much lower than those of SOFCs fed by the other feeds. Methane-reformed feed offers higher power density than biogas-reformed feed since H₂ concentration of the former one is higher.
Other Abstract: การวิเคราะห์เชิงสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็งที่ป้อนด้วยแก๊สชีวภาพ แบ่งได้เป็น 4 ส่วนหลักคือ การวิเคราะห์การเกิดคาร์บอนภายในเซลล์เชื้อเพลิง การพิจารณาเลือกตัวทำปฏิกิริยารีฟอร์มมิงที่เหมาะสมกับระบบเซลล์เชื้อเพลิง การประเมินสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิง ที่มีการจัดเรียงระบบที่แตกต่างกัน และการวิเคราะห์ความเป็นไปได้ในการดำเนินการของเซลล์เชื้อเพลิง ที่ป้อนด้วยเชื้อเพลิงต่างชนิดกัน ผลของการศึกษาการเกิดคาร์บอนในเซลล์เชื้อเพลิงบ่งชี้ว่า การป้อนตัวทำปฏิกิริยารีฟอร์มมิงเพิ่มเติม เป็นสิ่งจำเป็นในการป้องกันการเกิดคาร์บอนในเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้แก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิง ในการพิจารณาเลือกตัวทำปฏิกิริยารีฟอร์มมิงที่เหมาะสมกับระบบเซลล์เชื้อเพลิงพบว่า ไอน้ำเป็นตัวทำปฏิกิริยารีฟอร์มมิงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบเซลล์เชื้อเพลิงเมื่อเทียบกับอากาศ หรือการใช้ไอน้ำร่วมกับอากาศ ทั้งนี้เนื่องจากระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ป้อนด้วยไอน้ำมีค่าความหนาแน่นของไฟฟ้าสูงกว่า ระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ป้อนด้วยตัวทำปฏิกิริยารีฟอร์มมิงชนิดอื่น ในการพิจารณาระบบเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ที่มีการจัดเรียงระบบที่แตกต่างกันนั้น ได้แบ่งการจัดเรียงระบบออกเป็น 3 ลักษณะ ได้แก่ ระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเยื่อเลือกผ่าน ระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานร่วมกับเครื่องดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานร่วมกับทั้งเครื่องปฏิกรณ์เยื่อเลือกผ่าน และระบบดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ผลการศึกษาพบว่า เครื่องปฏิกรณ์ชนิดเยื่อเลือกผ่านในระบบเซลล์เชื้อเพลิง สามารถเพิ่มสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงได้ อย่างไรก็ตามระบบเซลล์เชื้องเพลิงนี้ยังไม่คุ้มค่าที่จะลงทุน เมื่อพิจารณาในเชิงเศรษฐศาสตร์ ขณะที่ระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานร่วมกับระบบดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ จะให้ผลดีทั้งในทางเทคนิคและในทางเศรษฐศาสตร์ก็ต่อเมื่อใช้ระบบตัวดูดซับแคลเซียมออกไซด์ เป็นระบบดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตามระบบเซลล์เชื้อเพลิงนี้ ไม่สามารถดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดที่ผลิตในระบบได้ การทำงานร่วมกันของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเยื่อเลือกผ่าน และเครื่องดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ สามารถเพิ่มสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงเมื่อเทียบกับสองระบบแรก อย่างไรก็ตามระบบเซลล์เชื้อเพลิงนี้ยังไม่คุ้มค่าในการลงทุนทางเศรษฐศาสตร์ ข้อดีของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือ สามารถดักจับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในระบบได้เกือบทั้งหมด ขณะที่ผลของการพิจารณาความเป็นไปได้ ในการดำเนินการของเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็งที่ป้อนด้วยเชื้อเพลิงต่างชนิดกันพบว่า แก๊สไฮโดรเจนบริสุทธ์เป็นเชื้อเพลิงที่ให้ค่าสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงสูงที่สุด เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น การใช้แก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงของเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง จำเป็นต้องป้อนอากาศเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิงเป็นจำนวนมาก เพื่อให้เซลล์เชื้อเพลิงสามารถดำเนินการได้ อีกทั้งค่าสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงยังมีค่าต่ำมาก ขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้แก๊สมีเทนที่ผ่านปฏิกิริยารีฟอร์มมิงเป็นเชื้อเพลิง จะมีสมรรถนะสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้แก๊สชีวภาพที่ผ่านปฏิกิริยารีฟอร์มมิงเป็นเชื้อเพลิง
Description: Thesis (D.Eng.)--Chulalongkorn University, 2008
Degree Name: Doctor of Engineering
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/15782
URI: http://doi.org/10.14457/CU.the.2008.1800
metadata.dc.identifier.DOI: 10.14457/CU.the.2008.1800
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Pakorn_pi.pdf2.9 MBAdobe PDFView/Open


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