Analysis of the thermal integration between a Solid Oxide Full Cell and an ethanol reformer through a heat exchanger network

Abstract

Este trabalho investiga a eficiência energética de um sistema SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) integrado a um reformador de etanol, usando um modelo 0D para simular a célula SOFC, enquanto o reformador foi simulado por modelos de equilíbrio termodinâmico. Um modelo de célula SOFC, obtido a partir da revisão da literatura, foi implementado em linguagem Python, e posteriormente conectado aos modelos de reformador,misturador adiabático, trocadores de calor, formando a base para os resultados apresentados. Foram realizadas simulações em regime permanente para investigar os efeitos da variação de temperatura dentro da faixa de 600°C a 900°C, assim como para razões oxigênio/etanol na faixa de 0% a 100%. As variáveis de saída investigadas foram a eficiência e a potência elétrica da célula SOFC, considerando a potência nominal da SOFC como 5 kW. Como resultado, observou-se que para razões de oxigênio/etanol superiores a 40%, o reformador opera de maneira exotérmica (com taxa de calor de aproximadamente 1kW), favorecendo a integração de calor.No entanto, o rendimento em hidrogênio diminuiu com o aumento da razão oxigênio/etanol, resultando na redução da potência elétrica (2,5-2,0 kW), eficiência da célula. (55-35%) e taxa de calor liberada pela reação eletroquímica (-6 a -3kW). Por outro lado, o aumento da temperatura possibilitou maiores rendimentos em hidrogênio, resultando no aumento da potência elétrica (2,0-3,0 kW), eficiência da célula (42-62%), taxa de calor liberada pela célula (-5 a -7 kW), mas também ocasionando um aumento na demanda de calor para o reformador (-0.04 a 0.7 kW). A simulação do sistema sem integração de calor apresentou eficiência global de 44% com a SOFC operando com 5kW de potência nominal, e as seguintes condições de operação: vazão de alimentação igual a 0,377 g/s, razão vapor/etanol igual a 3,0, razão ar/etanol igual a 0,5 e temperaturas da SOFC e do reformador iguais a 610 e 600°C, respectivamente. Além disso, avaliou-se a recirculação dos gases quentes de saída da SOFC (gás e ar residual do anodo e catodo) como estratégia de integração de calor. A rede de trocadores de calor foi sintetizada a partir da análise pynch, permitindo a recuperação de 842 W de calor. A eficiência global do sistema integrado foi 61.24%, um aumento de 16.84% em relação ao sistema sem integração. Cabe também mencionar que nenhuma fonte de calor externa à SOFC foi usada na rede, visto que é também possível recuperar calor da SOFC.

Abstract: This work investigates the energy efficiency of an SOFC system integrated into an ethanol reformer, using a 0D model to simulate the SOFC cell, while the reformer was simulated by thermodynamic equilibrium models. A SOFC cell model, obtained from the literature review, was implemented in the Python language and subsequently connected to reformer, adiabatic mixer and heat exchanger models, forming the basis for the presented results. Steady-state simulations were conducted to investigate the effects of temperature variation within the range of 600°C to 900°C, as well as for oxygen/ethanol ratios in the range of 0% to 100%. The investigated output variables were the efficiency and electrical power of the SOFC cell, considering the nominal power of the SOFC as 5 kW. As a result, it was observed that for oxygen/ethanol ratios above 40%, the reformer operates exothermically (with a heat rate of approximately 1 kW), favoring heat integration. However, the hydrogen yield decreased with the increase in the oxygen/ethanol ratio, resulting in a reduction in electrical power (from 2.5 kW to 2.0 kW), cell efficiency (from 55% to 35%), and heat release rate from the electrochemical reaction (from -6 kW to -3 kW). Conversely, the increase in temperature allowed for higher hydrogen yields, resulting in an increase in electrical power (from 2.0 kW to 3.0 kW), cell efficiency (from 42% to 62%), heat release rate from the cell (-5 kW to -7 kW), but also causing an increase in the heat demand for the reformer (-0.04 a 0.7 kW). The simulation of the system without heat integration showed an overall efficiency of 44%, with the SOFC operating at a nominal power of 5 kW, under the following operating conditions: feed flow rate of 0.377 g/s, steam/ethanol ratio of 3.0, air/ethanol ratio of 0.5, and temperatures of the SOFC and reformer equal to 610°C and 600°C, respectively. Additionally, the recirculation of the hot gases exiting the SOFC (residual gas from the anode and cathode) was evaluated as a heat integration strategy. The heat exchanger network (HEN) was synthesized through pinch analysis, allowing for the recovery of 842 W of heat. The overall efficiency of the integrated system was 61.24%, representing an increase of 16.84% compared to the system without integration. It is also worth mentioning that no external heat source to the SOFC was used in the network, as it is also possible to recover heat from the SOFC.