Modeling and simulation of solid oxide fuel cell-based power generation systems with integrated CO2 capture

The principles related to the optimization of the production of electricty from fuel cells and in particular the phenomena that involve Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are a topic of great interest nowadays. Solid Oxide Fuel Cells, thanks to recent technological developments, are becoming more and more popular for terrestrial and space applications and in order to ensure a correct use of these and to optimize energy production processes, it is necessary to study in detail mechanisms that characterize this particular type of fuel cell and create an accurate model, but at the same time efficient. In the present study, in collaboration with NASA JSC of Houston, in a first stage, an analysis of those principles that characterize the SOFC and all the different components of interest in an electric energy production system was carried out: Steam Methane Reformer (which permits to convert methane into hydrogen), compressor, turbine and heat exchanger and from those, an ad-hoc dynamic MATLAB/Simulink software was created. The model was validated with data from a previous study of United State Navy (USN) in collaboration with the National Aeronautics and Space Administration (NASA), in order to study the behavior of each single component. In a second time, using the above mentioned model, two different systems for the production of energy for space applications have been studied through a first-principle, exergetic and economic analysis. Finally a detailed thermal analysis, for what concern the SOFC, is presented, evaluating the importance of heat transfer mechanisms in a fuel cell varying the main parameters. In the third section is proposed a more detailed study of a possible Steam Methane Reformer (SMR) configuration and a SMR prototype, built in the course of this work, is presented, which will permit to conduct experimental analysis with the SOFC system At the end, in the fourth and final section, the concept of CO2 capture combined with fuel cells is introduced and a detailed study to evaluate the possibility to install a fume hood, in order to manage safetly potential hazardous chemicals to conduct in-depth analysis on mixtures involved in the electricty production in a SOFC to assess its real behavior and properly test the steam methane reformer, is presented. This kind of analysis and the evaluation of the impact of CO2 capture in a SOFC system, can be conducted in the CO2 box at the Piacenza Consortium LEAP, which needs a system of fume hood to deal with toxic chemicals

I principi alla base dell'ottimizzazione della produzione di energia elettrica da fuel cells e in particolare i fenomeni che coinvolgono le Solid Oxide Fuel Cells sono una tematica di grande interesse oggigiorno. Le SOFCs, grazie ai recenti sviluppi tecnologici, trovano ampio spazio nelle applicazioni terrestri e spaziali e al fine di garantire un corretto utilizzo delle suddette e ottimizzare i processi di produzione di energia, è necessario studiare a fondo i meccanismi che caratterizzano questo particolare tipo di fuel cell e creare un modello accurato. Nel presente studio, in collaborazione con il NASA JSC di Houston, in una prima fase, è stato svolto uno studio di quelli che sono i principi che caratterizzano le SOFC e tutti i diversi componenti di interesse in un sistema di produzione di energia elettrica: Steam Methane Reformer (SMR), compressore, turbina e heat exchanger e da ciò è stato costruito un modello in MATLAB/Simulink ad hoc, validato con dati forniti da un precedente studio della United State Navy (USN) in collaborazione con la NASA, per poter studiare il comportamento di ogni singolo componente. In un secondo momento, usando il modello sopra citato, sono stati studiati due differenti sistemi di produzione di energia elettrica per applicazioni spaziali tramite una analisi di primo principio, una analisi exergetica ed una analisi economica. In fine una analisi termica dettagliata, per quanto riguada la Solid Oxide Fuel Cell in questione, è presentata, valutando l'importanza degli scambi termici interni alla SOFC al variare dei principali parametri della medesima. Nella terza sezione viene proposto uno studio più approfondito su una possibile configurazione di uno SMR, al fine di convertire metano in idrogeno, e viene presentato un prototipo costruito nel corso di questo lavoro di tesi tramite studi teorici, il quale permetterà di svolgere analisi sperimentali sul sistema SOFC. In fine, nell'ultima sezione, viene introdotto il concetto della cattura della CO2 abbinato alle fuel cells e viene proposto uno studio dettagliato per l'installazione di un sistema di cappe chimiche per poter gestire in sicurezza composti chimici pericolosi per fare analisi approfondite su miscele coinvolte nella produzione di energia elettrica in una Solid Oxid Fuel Cell, al fine di studiarne il reale comportamento, e testare adeguatamente lo SMR precedentemente costruito. Tali analisi e valutazioni sull'impatto della cattura di CO2 in un sistema SOFC possono essere condotte presso il CO2 Box del Consorzio LEAP di Piacenza, il quale necessita di un apposito sistema di cappe per poter trattare le miscele coinvolte.