Performance analysis of a solid oxide fuel cell/micro gas turbine hybrid system is conducted at design-point and part-load conditions and its results are discussed in this study. With detailed considerations of the heat and mass transfer phenomena along various flow streams of the SOFC, the analysis based on a quasi-2D model reasonably predicts its performance at the design-point operating conditions. In case of part-load operations, performance of the hybrid system to three different operation modes(fuel only control, speed control, and VIGV control) is compared. It is found that the simultaneous control of both supplied fuel and air to the system with a variable MGT rotational speed mode is the optimum choice for the high performance operation. And then, the dynamic characteristics of a solid oxide fuel cell are briefly introduced.
Park, Sung-Ku;Kim, Tong-Seop;Sohn, Jeong-Lak;Lee, Young-Duk
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2008.10a
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pp.51-54
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2008
This study aims to devise and analyze a power generation system combining the solid oxide fuel cell and oxy-fuel combustion technology. The fuel cell operates at an elevated pressure, a constituting a SOFC/gas turbine hybrid system. Oxygen is extracted from the high pressure cathode exit gas using ion transport membrane technology and supplied to the oxy-fuel power system. The entire system generates much more power than the fuel cell only system due to increased fuel cell voltage and power addition from oxy-fuel system. More than one third of the power comes out of the oxy-fuel system. The system efficiency is also higher than that of the fuel cell only system. Recovering most of the generated carbon dioxide is major advantage of the system.
Submicron thick solid electrolyte membrane is essential to the implementation of low temperature solid oxide fuel cell, and, therefore, development of new electrode structures is necessary for the submicron thick solid electrolyte deposition while providing functions as current collector and fuel transport channel. In this research, a nickel membrane with multi-stage nano hole array has been produced via modified two step replication process. The obtained membrane has practical size of 12mm diameter and $50{\mu}m$ thickness. The multi-stage nature provides 20nm pores on one side and 200nm on the other side. The 20nm side provides catalyst layer and $30\~40\%$ planar porosity was measured. The successful deposition of submicron thick yttria stabilized zirconia membrane on the substrate shows the possibility of achieving a low temperature solid oxide fuel cell.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.4
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pp.529-545
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2013
Strong restrictions on emissions from marine power plants (particularly $SO_x$, $NO_x$) will probably be adopted in the near future. In this paper, a combined solid oxide fuel cell (SOFC) and gas turbine fuelled by natural gas is proposed as an attractive option to limit the environmental impact of the marine sector. It includes a study of a heat-recovery system for 18 MW SOFC fuelled by natural gas, to provide the electric power demand onboard commercial vessels. Feasible heat-recovery systems are investigated, taking into account different operating conditions of the combined system. Two types of SOFC are considered, tubular and planar SOFCs, operated with either natural gas or hydrogen fuels. This paper includes a detailed thermodynamic analysis for the combined system. Mass and energy balances are performed, not only for the whole plant but also for each individual component, in order to evaluate the thermal efficiency of the combined cycle. In addition, the effect of using natural gas as a fuel on the fuel cell voltage and performance is investigated. It is found that a high overall efficiency approaching 70% may be achieved with an optimum configuration using SOFC system under pressure. The hybrid system would also reduce emissions, fuel consumption, and improve the total system efficiency.
Solid oxide fuel cells (SOFCs) have been under development for a variety of power generation applications. Power system sizes considered range from small watt-size units (e.g., 50-W portable devices) to very large multi-megawatt systems (e.g., 500-MW base load power plants). Because of the reversibility of its operation, the SOFC has also been developed to operate under reverse or electrolysis mode for hydrogen production from steam (In this case, the cell is referred to as solid oxide electrolysis cell or SOEC.). Potential applications for the SOEC include on-site and large-scale hydrogen production. One critical requirement for practical uses of these systems is long-term performance stability under specified operating conditions. Intrinsic material properties and operating environments can have significant effects on cell performance stability, thus performance degradation rate. This paper discusses potential applications of the SOFC/SOEC, technological status and current research and development (R&D) direction, and certain aspects of long-term performance degradation in the operation of SOFCs/SOECs for power generation/hydrogen production.
YSZ based anode supported solid oxide fuel cells (SOFCs) were prepared, and two cells with different electrolyte thicknesses were connected in series for the simulation of a cell-imbalanced fuel cell stack. Pure YSZ cells in a series connection exhibited a rapid degradation when a thick electrolyte cell was operated under a negative voltage. On the other hand, ceria added-YSZ cells in a series connection were stable under similar operating conditions, and the power density and impedance were about the same as those before tests. The improved stability was due to the reduction of internal partial pressure in the electrolyte by locally increasing the electronic conduction. Thus, we propose a new protection method, i.e., the local addition of ceria in the YSZ electrolyte, to extend the lifetime of a cell-imbalanced SOFC stack.
Jo, Soonhye;Lee, Pilhyong;Cha, Chunloon;Hong, Seongweon;Hwang, Sangsoon
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2011.05a
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pp.96.1-96.1
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2011
Solid oxide fuel cells(SOFCs) can convert the chemical energy of fuel into electricity directly. With the rising fuel prices and stricter emission requirement, SOFCs have been widely recognized as a promising technology in the near future. In this study, lean premixed flame using the orifice swirl burner was analyzed numerically and experimentally. We used the program CHEMKIN and the GRI 3.0 chemical reaction mechanism for the calculation of burning velocity and adiabatic flame temperature to investigate the effects of equivalence ratio on the adiabatic flame temperature and burning velocity respectively. Burning velocity of hydrogen was calculated by CHEMKIN simulation was 325cm/s, which was faster than that of methane having 42 cm/s at the same equivalence ratio. Also Ansys Fluent was used so as to analysis the performance with alteration of swirl structure and orifice mixer structure. This experimental study focused on stability and emission characteristics and the influence of swirl and orifice mixer in Solid Oxide Fuel Cell Systme burner. The results show that the stable blue flame with different equivalence ratio. NOx was measured below 20 ppm from equivalence ratios 0.72 to 0.84 and CO which is a very important emission index in combustor was observed below 160 ppm under the same equivalence region.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.4
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pp.439-447
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2012
Solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid systems that use three gas turbines having different power outputs were devised and their performance was compared. The power shares of the gas turbine and fuel cell and the net system efficiency were compared among the three systems, and their variations with the design fuel cell temperature were investigated. The system efficiency was predicted to be insensitive to the fuel cell temperature in the sub-MW system, but it increased with increasing fuel cell temperature in both the multi-MW and hundred-MW systems. The influence of air bypass around the fuel cell on the system performance was also investigated.
This study aims to analyse the influence of steam injection on the performance of hybrid systems combining a solid oxide fuel cell and a gas turbine. The steam is generated by recovering heat from the exhaust gas. Two system configurations, with difference being the operating pressure of the SOFC, are examined and effects of steam injection on performances of the two systems are compared. Two representative gas turbine pressure ratios are simulated and a wide range of both the fuel cell temperature and the turbine inlet temperature is examined. Without steam injection, the pressurized system generally exhibits better system efficiency than the ambient pressure system. Steam injection increases system power capacity for all design cases. However, its effect on system efficiency varies much depending on design conditions. The pressurized system hardly takes advantage of the steam injection in terms of the system efficiency. On the other hand, steam injection contributes to the efficiency improvement of the ambient pressure system in some design conditions. A higher pressure ratio provides a better chance of efficiency increase due to steam injection.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.2
s.257
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pp.125-131
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2007
This paper presents guideline for a practical design of the hybrid system combining a pressurized solid oxide fuel cell and a gas turbine. Design of the hybrid system based on a virtually designed gas turbine was simulated using models for off-design operation of the gas turbine. Two system configurations, with different method for supplying reforming steam, are considered and their design characteristics are compared. A higher design cell temperature provides better system performance. However, there exists a maximum allowable design cell temperature because the operating point of the compressor approaches the surge point with increasing fuel cell temperature. Increased pressure loss at the fuel cell moves the compressor operating point toward the surge point and reduces system performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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