Geri Dön

Multiphysics modeling of a microchannelmethanol steam reformer for high temperature polymer electrolytemembrane fuel cell systems

Yüksek sıcaklıklı polimer elektrolit membran yakıt hücresi sistemleri için mikro kanallı metanol buharı dönüştürücüsünün multifizik modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 777747
  2. Yazar: MÜNÜR SACİT HERDEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FERİDUN HAMDULLAHPUR, DOÇ. SİAMAK FARHAD
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: University of Waterloo
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 209

Özet

Yakıt hücreleri ile enerji üretiminin karşılaştığı başlıca zorluklardan biri, hidrojen yakıtının depolanmasındaki zorluklardır. Bu sorunun üstesinden gelmek için araştırmacılar tarafından çeşitli yöntemler önerilmiş ve çalışılmıştır. Bu yöntemler arasında, yakıt hücresi bileşenlerinden biri olarak yakıt dönüştürücü kullanımı, hidrojen depolamaya karşı pratik ve gelecek vaat eden bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Metanol, ayırt edici özellikleri nedeniyle, dönüştürücülerde kullanılabilecek birçok hidrojen taşıyıcı yakıtlar arasında en cazip olanlarından biridir. Metanol reformat gazı, yüksek sıcaklıklı polimer elektrolit membran yakıt hücrelerini (HT-PEMFC) beslemek için idealdir. Bundan dolayı, metanol reformat gaz yakıtlı HT-PEMFC sistemleri, halihazırda seyyar, sabit ve deniz uygulamalarında kullanılmak üzere piyasada bulunmaktadır. Metanolü hidrojen bakımından zengin sentez gaza dönüştürmek için çeşitli dönüştürücü tipleri olmasına rağmen, mikro kanal plakalı ısı eşanjörü dönüştürücülerinin, sistem verimliliğini arttıran ve sistemin boyutunu düşüren birtakım avantajları bulunmaktadır. Özelilikle, mikro kanal plakalı ısı eşanjörü metanol dönüştürücü; yardımcı güç ünitesi (APU) uygulamaları için 100 ila 5000 W aralığında güç üretimi için, boyuta ilişkin talepleri karşılama ve sistemi verimliliği ile yol verme süresini iyileştirme amacıyla gelecek vadeden bir aday olabilir. Ayrıca, metanol dönüşümü için yeni katalizör tiplerindeki son gelişmeler, yeni nesil mikro kanallı metanol dönüştürücülerinin daha düşük ağırlıkta ve daha yüksek verimlilikte tasarlanmasını sağlayabilir. Mikro kanallı dönüştürücülerin modellenmesi, yeni nesil dönüştürücülerin tasarlanmasında yardımcı olabilir. Bu tezde, ilk olarak, seyyar güç üretimi uygulamaları için HT-PEMFC kullanılarak güç üretmek amacıyla metanol dönüştürücü sistemi araştırılmıştır. Bu çalışma, ikinci ve üçüncü çalışmalardaki mikro kanallı metanol buharı dönüştürücülerinin multifizik modellemesi için giriş parametrelerinin seçilmesi amacıyla gereklidir. Bu çalışmada, buhar - karbon (SC) oranı, dönüştürücü sıcaklığı, yakıt hücresinin akım yoğunluğu, yakıt hücresi sıcaklığı, katot stokiyometrik oranı, hidrojen kullanımı ve güç üretiminin oranının reformat gaz kompozisyonu, yakıt hücresi performansı, giriş yakıt debisi ve sistem bileşenlerinin ısı görevleri üzerindeki etkilerini tahmin etmek için bilgisayar simülasyonları kullanılarak ayrıntılı bir parametrik çalışma yapılmıştır. Özellikle, çeşitli yakıt hücresi sıcaklıklarındaki reformat gaz kompozisyonunun HT-PEMFC performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, reformat gazdaki CO molar oranının, SC oranını azaltıp dönüştürücü sıcaklığını yükselterek arttığını doğrulamaktadır. Ancak CO molar oranının yakıt hücresi performansı üzerindeki olumsuz etkisi, yüksek yakıt hücresi sıcaklıklarında azalmaktadır. Yakıt hücresi gerilimi, reformat gazda 160°C yakıt hücresi sıcaklığı %0.9 CO molar oranı için akım yoğunluğunun 0.1 A/cm²'den 1 A/cm²'ye değiştirilmesi ile ~%78 oranında azalmakta ve bununla birlikte 180°C yakıt hücresi sıcaklığı için ~%61 azalmaktadır. Buna ilaveten, yakıt hücresi sıcaklığının 160°C'den 180°C'ye olan bir artış, sistemden belirli bir güç üretimi elde etmek için giriş yakıt debisi düşmekte, yine de farklı sistem bileşenlerinin ısı gereksinimini sağlamak için sistemde yeterli ısı kalmaktadır. İkinci çalışmada, hidrojen üretimi için mikro kanallı metanol dönüştürücüsünün bir kararlı hal multifizik modeli geliştirilmiş ve katalizör tabakası yapısal parametrelerinin ve ısı sağlama stratejilerinin dönüştürücü performansı üzerindeki etkilerini analiz etmek amacıyla doğrulaması yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, dönüştürücüden HT-PEMFC'lerde kullanılabilecek hidrojen üretilmesidir. Dönüştürücünün boyutları ve metanol giriş debisi, 100 ila 500 W aralığındaki yakıt hücrelerini beslemeye yetecek hidrojen üretecek şekilde seçilmektedir. Bu çalışma: iç difüzyon kısıtlamalarını ve kaplama tabakası yapısal parametrelerini açıklamak amacıyla dönüştürme katalizörünün ince kaplaması için 2 boyutlu bir alanı değerlendirmeye almaktadır. Katalizörün gözenekli yapısının içindeki difüzyon akılarını açıklamak için çok bileşenli Maxwell-Stefan difüzyon eşitliği uygulanmaktadır. Multifizik modelinin doğrulaması, metanol buharı dönüşümünün dört farklı tepkime kinetik modeli uygulanarak rapor edilen deneysel veriler kullanılarak yapılmaktadır. Bu çalışma, mikro kanallı metanol dönüştürücünün performansının değerlendirilmesi için en uygun model olarak kinetik modeli görmektedir. Sonuçlar, katalizör etkililik faktörünün, 50 µm'den daha büyük bir katalizör tabakası kalınlığı için yalnızca dönüştürücünün girişinde görece düşük olduğunu göstermektedir. Bu çalışma ayrıca katalizörün etkin kullanımı için, etkin ısı sağlama stratejisinin iyileştirilmesi gerektiğini de ortaya koymaktadır. Bunlara ilaveten, daha az katalizör ile belirli bir miktar metanol dönüşümü elde etmek için bölümlere ayrılmış katalizör tabakasının tasarım fizibilitesi de gösterilmektedir. Aynı giriş şartları için, bölümlere ayrılmış katalizör tabakası tasarımının konvansiyonel sürekli kaplamalı tasarıma kıyasla, %90 dönüşüm elde etmek için %25 daha az dönüştürücü katalizör gerektirdiği ortaya konmaktadır. Son çalışmada, HT-PEMFC için hidrojen bakımından zengin sentez gazı üretmek amacıyla mikro kanallı metanol buharı dönüştürücünün farklı katalizör tabakası konfigürasyonları ile olan performansını tahmin etmek için sayısal bir model geliştirilmiştir. Sayısal analizde herhangi bir yakınsama sorunu olmadan sürekli katalizör tabakası konfigürasyonları ile bölümlere ayrılmış çeşitli katalizör tabakası konfigürasyonlarını kıyaslamak için bir çözüm şeması geliştirilmiştir. Bu çalışmada ısı, endotermik dönüştürücü tarafa metanol yanması yoluyla verilmektedir. Sonuçlar, bölümlere ayrılmış katalizör tabakası konfigürasyonlarının uygulanması ile daha yüksek ısı transferi oranlarının elde edilebileceğini, böylece mikro kanallı metanol buharı dönüştürücüsünün performansında anlamlı bir iyileşme sağlandığını göstermektedir. Sonuçlar, bölümlere ayrılmış katalizör tabakası konfigürasyonları kullanılarak dönüştürme ve yanma taraflarında daha az katalizör ile metanol dönüşümünün ~%25 arttırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca sonuçlar artan katalizör tabakası kalınlığı ile metanol dönüşümünde anlamlı herhangi bir iyileşme olmamasına rağmen, daha büyük katalizõr tabakası kalınlığının, dönüştürücünün uzunluğu boyunca azaltılmış yüksek sıcaklık artışları avantajı sağladığına işaret etmektedir. Genel olarak, bölümlere ayrılmış katalizör tabakası konfigürasyonları; gücü en yükseğe çıkarmak, dönüştürücü boyutunu en aza indirmek ve ihtiyaç duyulan katalizör miktarını azaltmak amacıyla yakıt hücresi güç üretim sistemleri için yeni nesir mikro kanallı dönüştürücülerin tasarlanmasında önemli bir rol oynayabilecektir.

Özet (Çeviri)

One of the main challenges facing power generation by fuel cells is the difficulties of hydrogen fuel storage. Several methods have been suggested and studied by researchers to overcome this problem. Among these methods, using a fuel reformer as one of the components of the fuel cell system is considered a practical and promising alternative to hydrogen storage. Among many hydrogen carrier fuels that can be used in reformers, methanol is one of the most attractive due to its distinctive properties. Methanol reformate gas is ideal for feeding high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEMFCs). Therefore, methanol reformate gas fueled HT-PEMFC systems are currently available in the market for portable, stationary and marine applications. Although there are various reformer types to convert methanol to hydrogen rich syngas, microchannel plate heat exchanger reformers have some advantages that increase the system efficiency and decrease the system size. In particular, the microchannel plate heat exchanger methanol reformer can be a promising candidate to meet size demands and improve the system efficiency and start-up time to produce power in the range of 100 to 500 W for auxiliary unit power (APU) applications. Furthermore, recent improvements in new catalyst types for methanol reforming can enable the next generation of microchannel methanol reformers with less weight and higher efficiency to be designed. Modeling of the microchannel reformers can be helpful to design next generation reformers. In this thesis, firstly, a methanol reformer system to produce power using HTPEMFC for portable power generation applications is studied. This study is required for selecting inlet parameters for the multiphysics modeling of the microchannel methanol steam reformer in the second and the third studies. In this study, a detailed parametric study using computer simulations is conducted to estimate the effects of steam-to-carbon (SC) ratio, reformer temperature, current density of the fuel cell, fuel cell temperature, cathode stoichiometric ratio, hydrogen utilization, and rate of power production on the reformate gas composition, fuel cell performance, input fuel flow rate, and heat duties of the system components. In particular, the effects of the reformate gas composition at various fuel cell temperatures on HT-PEMFC performance were examined. The results confirm that the CO molar ratio in the reformate gas increases by decreasing the SC ratio and increasing the reformer temperature. However, the adverse effect of CO molar ratio on fuel cell performance decreases at elevated fuel cell temperatures. The fuel cell voltage decreases by ~78% with the variation of the current density from 0.1 A/cm2 to 1 A/cm2 for 160oC fuel cell temperature and 0.9% CO molar ratio in the reformate gas, while it decreases by ~61% for 180 oC fuel cell temperature. In addition, an increase in the fuel cell temperature from 160oC to 180oC, the input fuel flow rate to produce a given power generation from the system decreases, while enough heat is still available in the system to provide the heat requirement of different system components. In the second study, a steady state multiphysics model of a microchannel methanol reformer for hydrogen production is developed and validated for the purpose of studying the effects of catalyst layer structural parameters and heat supply strategies on the reformer performance. The aim of this study is to generate hydrogen from the reformer that can be used in HT-PEMFCs. The dimensions of the reformer and inlet flow rate of methanol are selected to produce enough hydrogen to feed fuel cells in the range of 100 to 500 W. This study considers a 2-dimensional domain for the thin coating of the reforming catalyst to account for the internal diffusion limitations and the coating layer structural parameters. The multicomponent Maxwell-Stefan diffusion equation is implemented to account for diffusion fluxes inside the porous structure of the catalyst. The multiphysics model is validated using the reported experimental data by implementing four different reaction kinetics models of methanol steam reforming. This study considers the best fit kinetics model to evaluate the performance of the microchannel methanol reformer. The results show that the catalyst effectiveness factor is relatively low only at the entrance of the reformer for a catalyst layer thickness greater than 50 µm. In addition, this study reveals that for efficient use of the catalyst, the effective heat supply strategy should be improved. Additionally, the design feasibility of the segmented catalyst layer to achieve a certain amount of methanol conversion with less catalyst is demonstrated. It is revealed that for the same inlet conditions, the segmented catalyst layer design required 25% less reforming catalyst to achieve 90% conversion compared to the conventional continuous coating design. In the last study, a numerical model is developed to predict the performance of a microchannel methanol steam reformer with different catalyst layer configurations to produce hydrogen-rich syngas for a HT-PEMFC. A solution schema is developed to compare continuous catalyst layer configurations and various segmented catalyst layer configurations without any convergence issue in the numerical analysis. In this work, heat is provided to the endothermic reforming-side via methanol combustion. The results show that higher heat transfer rates can be provided by applying segmented catalyst layer configurations, thus resulting in significant performance improvement of the microchannel methanol steam reformer. The results reveal that methanol conversion can be increased by ~25% by using segmented catalyst layer configurations with less catalyst in the reforming and combustion sides. The results also indicate that even though there is no significant improvement in methanol conversion with increasing catalyst layer thickness, the greater catalyst layer thickness provides the advantage of reduced high temperature elevations across the reformer length. Overall, the segmented catalyst layer configurations can play an important role in designing the next generation of microchannel reformers for fuel cell power generation systems to maximize power, minimize reformer size, and decrease the required quantity of catalyst.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    513344

    Multiphysics modeling of Ge2Sb2Te5 based synaptic devices for brain inspired computing

    Beyinden esinlenen hesaplamalar için Ge2Sb2Te5 tabanlı sinaptik cihazların multifizik modellenmesi

    YİĞİT DEMİRAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKMEL ÖZBAY

    ÖĞR. GÖR. BAYRAM BÜTÜN

  2. Tez No

    902256

    Modeling of coupled behavior of multifunctional composite structures for energy storage

    Enerji depolama için çok fonksiyonlu kompozit yapıların akuple davranış modellemesi

    İMREN UYAR YAZICI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES

  3. Tez No

    400102

    Multiphysics modeling of fuel cells

    Başlık çevirisi yok

    MUSTAFA FAZIL SERİNCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Makine MühendisliğiThe University of Connecticut

    DR. ALEVTİNA SMİRNOVA

    DR. JEONG HO KİM

    DR. UĞUR PAŞAOĞULLARI

  4. Tez No

    671648

    Multiphysics modeling of surface charge and pressure-driven electrokinetic flow in micro/nano scale porous media

    Mikro/nano ölçeklerdeki gözenekli yapılarda yüzey yükü ve basınç tahrikli elektrokinetik akışın çoklu-fizik modellemesi

    TÜMCAN ŞEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT BARIŞIK

  5. Tez No

    446465

    Modeling of a high temperature PEM fuel cell

    Yüksek sıcaklıkta çalışan PEM yakıt pilinin modellenmesi

    BERNA SEZGİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İNCİ EROĞLU

    DOÇ. DR. YILSER DEVRİM

Geri Dön