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Coupling effects of fuel reforming process and fuel utilization on the system performance of a natural gas solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid system
International Journal of Energy Research ( IF 4.3 ) Pub Date : 2021-07-12 , DOI: 10.1002/er.7006 Hao Chen 1, 2 , Chen Yang 1, 2 , Biao Zhang 3 , Nana Zhou 3 , Nor Farida Harun 3, 4 , Danylo Oryshchyn 3 , David Tucker 3
International Journal of Energy Research ( IF 4.3 ) Pub Date : 2021-07-12 , DOI: 10.1002/er.7006 Hao Chen 1, 2 , Chen Yang 1, 2 , Biao Zhang 3 , Nana Zhou 3 , Nor Farida Harun 3, 4 , Danylo Oryshchyn 3 , David Tucker 3
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A design study was undertaken of a 100 kW natural gas solid oxide fuel cell (SOFC)/gas turbine (GT) hybrid system to evaluate the impacts of the reforming process under a broad range of SOFC fuel utilizations. An equilibrium reformer model and a one-dimensional SOFC model are employed to perform system study for this hybrid, while balance of plant model is built in Ebsion to simulate the associated performance of GT cycle. Fifty design cases with varied external fuel reforming temperatures are analyzed based on different SOFC fuel utilization levels. With the decrease of reforming temperature, optimal fuel utilization in terms of efficiency shift from 90% with external reforming to 60% with internal reforming. Highest efficiency up to 74% was achieved with internal reforming, but this came with 1275 K cathode inlet air temperature and 1673 K turbine inlet temperature, which no current fuel cell and few GTs can tolerate. High fuel pre-reforming rates provided a higher design flexibility and showed opportunities of efficiency improvement with appropriate thermal integration strategy. And the feasibility of achieving high efficiencies in the hybrid system with thermally integrated external reforming will be explored in our future work.
中文翻译：
燃料重整过程和燃料利用对天然气固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合系统系统性能的耦合影响
对 100 kW 天然气固体氧化物燃料电池 (SOFC)/燃气轮机 (GT) 混合系统进行了设计研究，以评估在广泛使用 SOFC 燃料的情况下重整过程的影响。采用平衡重整器模型和一维 SOFC 模型对该混合动力车进行系统研究，同时在 Ebsion 中建立工厂平衡模型以模拟 GT 循环的相关性能。基于不同的 SOFC 燃料利用水平，分析了具有不同外部燃料重整温度的 50 个设计案例。随着重整温度的降低，最佳燃料利用效率从外部重整的 90% 转变为内部重整的 60%。通过内部重整实现了高达 74% 的最高效率，但这带来了 1275 K 的阴极入口空气温度和 1673 K 的涡轮机入口温度，这是当前燃料电池和少数 GT 无法承受的。高燃料预重整率提供了更高的设计灵活性，并显示出通过适当的热集成策略提高效率的机会。我们将在未来的工作中探索在具有热集成外部重整的混合系统中实现高效率的可行性。
更新日期：2021-09-09
中文翻译：
燃料重整过程和燃料利用对天然气固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合系统系统性能的耦合影响
对 100 kW 天然气固体氧化物燃料电池 (SOFC)/燃气轮机 (GT) 混合系统进行了设计研究，以评估在广泛使用 SOFC 燃料的情况下重整过程的影响。采用平衡重整器模型和一维 SOFC 模型对该混合动力车进行系统研究，同时在 Ebsion 中建立工厂平衡模型以模拟 GT 循环的相关性能。基于不同的 SOFC 燃料利用水平，分析了具有不同外部燃料重整温度的 50 个设计案例。随着重整温度的降低，最佳燃料利用效率从外部重整的 90% 转变为内部重整的 60%。通过内部重整实现了高达 74% 的最高效率，但这带来了 1275 K 的阴极入口空气温度和 1673 K 的涡轮机入口温度，这是当前燃料电池和少数 GT 无法承受的。高燃料预重整率提供了更高的设计灵活性，并显示出通过适当的热集成策略提高效率的机会。我们将在未来的工作中探索在具有热集成外部重整的混合系统中实现高效率的可行性。
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