Simulation, optimization and long term performance analyses of an HT-PEM fuel cell based micro CHP plant

In the present work, a comprehensive model of an HT-PEM fuel cell based micro cogeneration plant has been developed and implemented in the MATLAB environment. It should be mentioned that HT-PEM fuel cell stack and Steam Methane Reformer (SMR) codes are borrowed from the works of two PhD students, Mr. Andrea Baricci and Mr. Behzad Najafi. As the first analysis, a parametric study has been done on the key parameters (S/C, aux/proc ratio, temperature of the fuel cell, current density, and the anodic stoichiometric ratio) of the system in order to investigate the behaviour of the system and to determine operating conditions of the system resulting in higher performances. In the second analysis, long term performance of the CHP system considering the degradation within the HT-PEM fuel cell stack and the steam methane reformer has been investigated. The variations in the generated electrical and thermal power and the corresponding efficiencies, in the first 15000 hours of operation of the plant, have been studied and two strategies have been proposed and applied in order to remedy the excursion of thermal and electrical generation of the plant from the steady state production. The purpose of the third study is to evaluate the capability of this system in meeting intermittent load profiles. The performance of the system under fuel partialization strategy is first studied and electrical and thermal power and efficiency at different partial loads are determined. Power to heat shifting strategy, as a faster approach, is later employed. In the last strategy, the previous strategies are combined and the power to heat shifting approach is applied on the system operating at partial load. As the final step, an optimization analysis has been performed on the plant to obtain information regarding the best operating conditions lead to higher thermal and electrical efficiency. In this regard, a multi objective optimization has been implemented and the resulting Pareto frontier curve has been represented. Furthermore, the multi-objective optimization has been also used in different fuel partialization.

Nel presente lavoro, una serie di analisi sono state eseguite per studiare il comportamento di un impianto micro cognerativo basato sulla cella a combustibile tipo PEM ad alta temperatura (HT-PEM) in stato stazionario, carichi parziali e a lungo termine. La prima analisi è stata dedicata ad uno studio parametrico sui parametri chiave del sistema (rapporto steam/carbon, rapporto portata di metano ausiliare/processo, temperatura di funzionamento della cella, densità di corrente, e il rapporto stechiometrico anodico. L'effetto dei parametri sopraddetti sulle prestazioni del sistema è stato studiato e le condizioni con conseguenti prestazioni superiori sono state determinate. In seconda analisi, le prestazioni a lungo termine del sistema CHP considerando il degrado in celle a combustibile HT-PEM e Reformer sono state studiate. Le variazioni di energia elettrica e termica generata e le efficienze corrispondenti, nelle prime 15000 ore d'esercizio dell'impianto, sono state studiate e sono state proposte due strategie per aumentare le prestazioni. Lo scopo del terzo studio è di valutare la capacità di questo sistema nel soddisfare profili di carico intermittenti. Per fare ciò, sono state applicate tre strategie diverse. La prima strategia consiste nello studio delle prestazioni del sistema applicando la parzializzazione del combustibile.La seconda strategia applicata è quella di spostamento della potenza elettrica/termica (Shifting). Nell'ultima strategia, le strategie precedenti vengono combinate e il metodo "shifting" viene applicato sul sistema operativo a carico parziale. Come ultimo passo, un'analisi di ottimizzazione è stata eseguita sull'impianto per ottenere informazioni riguardanti le migliori condizioni operative per massimizzare le prestazioni del sistema. A questo proposito, è stata utilizzata una ottimizzazione multi-obiettivo considerando l'efficienza termica ed elettrica come obiettivi ed è stata rappresentata la curva di frontiera Pareto risultante. Inoltre, l'ottimizzazione multi-obiettivo è stata utilizzata anche in diversi livelli di parzializzazione del combustibile.