Przedstawiono praca koncentruje się wokół badań nad układem z ogniwem paliwowym typu SOFC. W pierwszej części pracy przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych modułu SOFC (z ang. Solido Oxide Fuel Cell) oraz hybrydowego układu SOFC-MGT (z ang. Micro Gas Turbine) składającego się z ogniwa paliwowego oraz turbiny gazowej. Obliczenia wykonano dla warunków statycznych (SOFC-MGT) oraz dynamicznych (moduł SOFC). Analizie poddano układy pracujące pod częściowym oraz pełnym obciążeniem. Uwzględniono różne prędkości obrotowe turbiny. Ponadto, zbadano wydajność układu hybrydowego zasilanego biogazem. W dalszej części pracy, przeprowadzono statyczną oraz dynamiczną analizę strat ciepła w ogniwie SOFC. Symulacje dynamiczne przeprowadzono dla modułu SOFC pracującego pod różnymi obciążeniami, z uwzględnieniem zmian następujących parametrów: temperatury pracy ogniwa, współczynnika wykorzystania paliwa, stosunku pary wodnej to metanu. Pod koniec, dokonano walidacji obliczeń numerycznych, przeprowadzając badania eksperymentalne na 300W ogniwie paliwowym typu SOFC. W części eksperymentalnej przedstawiono wyniki pomiarów, w których kontrolowano poziom wykorzystania paliwa. Uzyskane wyniki potwierdziły poprawność stosowanych modeli numerycznych. Wszystkie przeprowadzone badania wykazały wagę jaką odgrywa wpływ temperatury pracy ogniwa na jego wydajność.
An Analysis of a Solid Oxide Fuel Cell System
The present thesis focuses on the future of a solid oxide fuel cell (SOFC) system. Numerical modeling of the SOFC was first introduced with the static modeling of an SOFC-MGT hybrid system and dynamic modeling of the SOFC module. Full and part-load analysis with a variable MGT rotational speed control strategy was discussed for the SOFC-MGT hybrid system. A performance analysis of the hybrid system fueled by biogas was also studied. These two studies show importance of managing the operating temperature during operation. A heat loss analysis of SOFC module was conducted. Prediction was done on the basis of static and dynamic modeling. Dynamic simulation was conducted for the SOFC module under the load-following operation. The DC power output control scheme was implemented in the dynamic modeling with schemes for the cell operating temperature, the fuel utilization factor, and the steam-to-carbon ratio control. A parametric study of the control schemes as they pertain to safe operation of the SOFC by preventing fuel starvation was also discussed. An experimental study on the 300W class planar type SOFC was done to qualitatively verify the numerical simulations. The attempt to control the fuel utilization factor was demonstrated. In terms of the fuel utilization factor, the appropriateness of the fuel provision control strategy to the power was experimentally confirmed. The present thesis has focused heavily on the numerical modeling of an SOFC system. All the conducted studies show the importance of managing the operating temperature to the performance and transient capability during operation.
