Mô hình hóa quá trình tái tạo methane trong SOFC chạy bằng biogas và ứng dụng phân tích hoạt động

• Tác giả: Tran Dang Long
• Người hướng dẫn: Assoc. Yusuke Shiratori, Advisor/Examiner
• Trường học: Kyushu University
• Chuyên ngành: Hydrogen Energy Systems
• Đề tài: Modeling of Methane Multiple Reforming in Biogas-Fuelled SOFC and Its Application to Operation Analyses
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Fukuoka

• Abstract
• Acknowledgements
• Table of contents
• List of figures
• List of tables
• List of symbols
• List of abbreviations
• 1. CHƯƠNG 1: GENERAL INTRODUCTION
• 1.1. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs)
• 1.2. Direct internal reforming (DIR) operation
• 1.3. Overview of modeling approaches for DIR-SOFCs
• 2. CHƯƠNG 2: ELECTROCHEMICAL BEHAVIOR OF DIR-SOFCS OPERATING WITH BIOGAS
• 2.1. Electrochemical characteristics of Ni-based anodes with H2 and CO
• 2.2. Results and discussion
• 2.2.1. Internal reforming behavior under open-circuit condition
• 2.2.2. Electrochemical impedance for simulated biogas mixtures
• 3. CHƯƠNG 3: MODELING OF METHANE MULTIPLE-REFORMING WITHIN THE NI-BASED ANODE OF AN SOFC
• 3.1. Determination of model parameters
• 3.2. Data post-processing
• 4. CHƯƠNG 4: MODELING AND SIMULATION OF A DIR-SOFC OPERATING WITH BIOGAS
• 4.1. A comprehensive CFD model for DIR-SOFCs considering methane multiple-reforming (MMR)
• 4.2. Sub-model of mass transport
• 4.3. Sub-model of chemical reactions
• 4.4. Sub-model of electrochemical reactions
• 4.5. Sub-model of heat transport
• 4.6. Strategy of model validation
• 4.7. Results and discussion
• 4.7.1. Behavior of a DIR-SOFC fuelled by biogas
• 4.7.2. Distribution of gaseous species
• 4.7.3. Distributions of temperature and thermal stress
• 4.7.4. Imperfection of conventional modeling approaches of MMR
• 5. CHƯƠNG 5: ADVANCED DIR CONCEPTS FOR SOFCS OPERATING WITH BIOGAS
• 5.1. Case study for the thick anode substrate (ASC-A, ݀௔ = 950 Pm)
• 5.2. Case study for the thin anode substrate (ASC-B, ݀௔ = 200 Pm)
• 5.3. Effect of anode thickness
• 5.4. Outlook for future work
• Appendix A: Effects of H2O and CO2 on the electrochemical oxidation of Ni-based SOFC anodes with H2 and CO as a fuel
• Appendix B: Overview of Artificial Neural Network (ANN)
• Appendix C: Overview of Fuzzy Inference System (FIS)

I. Mô hình hóa quá trình tái tạo methane trong SOFC

Nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa quá trình tái tạo methane trong SOFC chạy bằng biogas. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ cao (700–800°C) với sự tham gia của nhiên liệu sinh học như biogas, hỗn hợp khí gồm 55–70% CH4 và 30–45% CO2. Mô hình hóa được thực hiện thông qua phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), giúp dự đoán tỷ lệ tiêu thụ và sản xuất các loại khí trong quá trình tái tạo methane. Mô hình này có thể áp dụng cho các loại chất xúc tác Ni khác nhau bằng cách điều chỉnh hệ số hiệu chỉnh.

1.1. Phương pháp mô hình hóa ANN

Phương pháp ANN được sử dụng để tạo ra các tham số mô hình từ dữ liệu thực nghiệm. Mô hình này cho phép dự đoán tỷ lệ tiêu thụ và sản xuất các loại khí như CH4, CO2, H2O, H2 và CO ở các nhiệt độ và thành phần khí khác nhau. Mô hình hóa này đã chứng minh tính chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống, vốn chỉ xem xét quá trình tái tạo methane như tổng của quá trình khô và hơi nước.

1.2. Ứng dụng CFD trong mô hình hóa

CFD được sử dụng để mô phỏng các quá trình vận chuyển khối lượng, nhiệt lượng và phản ứng điện hóa trong SOFC. Mô hình CFD kết hợp với mô hình hóa MMR đã được kiểm chứng thông qua quá trình xác thực ba bước, bao gồm điều chỉnh tham số và kiểm tra khả năng tái tạo hiệu suất của SOFC.

II. Phân tích hoạt động của SOFC chạy bằng biogas

Nghiên cứu đã phân tích hoạt động của SOFC khi sử dụng biogas làm nhiên liệu. Các đặc tính điện hóa của anod Ni được nghiên cứu dưới điều kiện mạch hở và các hỗn hợp biogas mô phỏng. Kết quả cho thấy, tái tạo methane xảy ra đồng thời với quá trình điện hóa, tạo ra syngas. Phân tích hoạt động này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của SOFC trong điều kiện thực tế.

2.1. Đặc tính điện hóa của anod Ni

Các thí nghiệm được thực hiện để đo lường đặc tính điện hóa của anod Ni trong SOFC. Kết quả cho thấy, tái tạo methane xảy ra mạnh mẽ ở nhiệt độ cao, với tỷ lệ chuyển đổi CH4 đạt tới 90%. Điều này chứng tỏ hiệu quả của nhiên liệu sinh học trong việc cung cấp năng lượng cho SOFC.

2.2. Phân tích nhiệt độ và ứng suất nhiệt

Phân tích hoạt động cũng bao gồm việc đánh giá sự phân bố nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong SOFC. Kết quả cho thấy, việc kiểm soát tỷ lệ tái tạo methane giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt, từ đó tăng cường độ ổn định cơ học của tế bào.

III. Ứng dụng công nghệ trong tối ưu hóa quá trình

Nghiên cứu đã đề xuất hai khái niệm DIR tiên tiến để tối ưu hóa quá trình tái tạo methane trong SOFC. Khái niệm-I sử dụng mặt nạ chắn khí anod để kiểm soát dòng nhiên liệu, trong khi Khái niệm-II sử dụng chất xúc tác cấu trúc giấy (PSC) để tăng cường hiệu suất. Cả hai khái niệm đều được đánh giá thông qua mô hình hóa CFD, cho thấy hiệu quả trong việc giảm ứng suất nhiệt và tăng mật độ công suất.

3.1. Khái niệm I Mặt nạ chắn khí anod

Khái niệm-I sử dụng mặt nạ chắn khí để kiểm soát dòng nhiên liệu vào anod. Kết quả cho thấy, việc này giúp giảm 20% ứng suất nhiệt tối đa, đồng thời chỉ giảm 8% mật độ công suất. Điều này chứng tỏ hiệu quả của khái niệm-I trong việc tăng cường độ ổn định của SOFC.

3.2. Khái niệm II Chất xúc tác cấu trúc giấy

Khái niệm-II sử dụng PSC để tăng cường hiệu suất tái tạo methane. Kết quả cho thấy, mật độ công suất tăng lên đáng kể, đặc biệt là với anod mỏng. Tuy nhiên, khái niệm-II cũng làm tăng nguy cơ gãy vỡ điện giải, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong thiết kế.

IV. Phân tích kỹ thuật và hiệu suất

Nghiên cứu đã thực hiện phân tích kỹ thuật chi tiết về hiệu suất của SOFC khi sử dụng biogas. Các kết quả cho thấy, mô hình hóa MMR kết hợp với CFD cung cấp các ước tính thực tế và có ý nghĩa hơn so với các phương pháp truyền thống. Phân tích hiệu suất cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa thiết kế anod có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của SOFC.

4.1. Phân tích hiệu suất điện hóa

Phân tích hiệu suất điện hóa cho thấy, SOFC đạt mật độ công suất tối đa 1.95 W/cm² với anod dày và 1.08 W/cm² với anod mỏng. Việc áp dụng khái niệm-II đã tăng mật độ công suất lên 1.45 W/cm², chứng tỏ hiệu quả của việc tối ưu hóa thiết kế anod.

4.2. Phân tích nhiệt độ và ứng suất

Phân tích kỹ thuật cũng bao gồm việc đánh giá sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong SOFC. Kết quả cho thấy, việc kiểm soát tỷ lệ tái tạo methane giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt, từ đó tăng cường độ ổn định cơ học của tế bào.