Waste heat utilization of solid oxide fuel cell systems

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Energiatekniikan laitos

Major/Subject

Lämpötekniikka ja koneoppi

Mcode

Ene-39

Degree programme

Language

en

Pages

77 s. + liitt. 7

Series

Abstract

The current green revolution to combat climate change has greatly increased the research in alternative, ecological means of generating heat and power. Methods such as wind power, solar power, and fuel cells have gained more and more interest. One promising fuel cell type is the solid oxide fuel cell. Solid oxide fuel cells outperform conventional methods of electricity generation, such as diesel engines and gas turbines, in small-scale power generation plants. Solid oxide fuel cells are also suitable for co-generation of heat and power due to their high operating temperature. The generation of heat in the form of district heating is hitherto the most common way to utilize the waste heat generated by solid oxide fuel cells. However, on many occasions, there is no demand for district heating. Therefore, it is recommendable to integrate an alternative waste heat utilization method to the fuel cell system to achieve a higher net efficiency. This thesis investigates several alternative waste heat utilization methods. The utilization methods are divided into three categories: additional electricity, air conditioning and refrigeration, and dehumidification. The additional electricity generation methods include an organic Rankine cycle, microturbine module, and thermoelectricity. The air conditioning methods include an absorption chiller, adsorption chiller, and a vapor-compression chiller. The dehumidification methods include refrigerative dehumidification and desiccant dehumidification. The different methods for waste heat utilization were simulated computationally. In additional electricity generation, the organic Rankine cycle proved to be far superior over thermoelectricity, whereas the microturbine requires further research. In air conditioning and refrigeration, the exhaust gas fired absorption chiller is the most promising method in both technological and financial terms. In dehumidification, desiccant dehumidification is a promising method; however, it has a few drawbacks as well. Although the waste heat utilization methods presented in this thesis are analysed in a solid oxide fuel cell context, the methods can be adopted to utilize waste heat in many other applications, including gas turbines, internal combustion engines, and industrial processes.

Ilmastonmuutoksen johdosta vihreää voimantuotantoa on alettu tutkimaan yhä enemmän ja enemmän. Vaihtoehtoiset, ekologiset voimantuotantotavat, kuten tuulivoima, aurinkovoima ja polttokennot, ovat saaneet valtavasti kiinnostusta. Yksi lupaava polttokennotyyppi on kiinteäoksidipolttokenno. Kiinteäoksidipolttokennot ovat pienessä kokoluokassa suorituskyvyltään parempia kuin perinteiset voimantuotantotavat, kuten diesel-moottorit tai kaasuturbiinit. Kiinteäoksidipolttokennot soveltuvat myös hyvin yhdistettyyn lämmön- ja sähköntuotantoon niiden korkean käyntilämpötilan takia. Nykyään kaukolämmöntuotanto on ylivoimaisesti yleisin jätelämmön käyttötapa. Joissain tilanteissa kaukolämmölle ei kuitenkaan ole tarvetta. Näissä tilanteissa on suotavaa, että polttokennojärjestelmässä on jokin vaihtoehtoinen jätelämmön käyttötapa, jotta kokonaishyötysuhde saataisiin maksimoitua. Tässä työssä tutkitaan useaa jätelämmön käyttötapaa. Käyttötavat ovat jaettu kolmeen kategoriaan: lisäsähköntuotantoon, kylmäntuotantoon, sekä kuivaukseen. Lisäsähköntuotannossa käsitellään orgaanista Rankine-sykliä, mikroturbiinia ja termosähköä. Kylmäntuotannossa puolestaan käsitellään absorptio- ja adsorptiokoneita, sekä kompressorijäähdytystä. Kuivauksessa käsitellään jäähdytinkuivausta ja pyörivää kuivainroottoria. Eri jätelämmön käyttötapoja mallinnettiin laskennallisesti. Lisäsähköntuotannossa parhaaksi vaihtoehdoksi ilmeni orgaaninen Rankine-sykli. Kylmäntuotannossa puolestaan savukaasukäyttöinen absorptiokone osoittautui parhaaksi vaihtoehdoksi. Kuivauksessa parhaaksi vaihtoehdoksi ilmeni pyörivä kuivainroottori, jolla on tosin muutama heikkous. Vaikka tässä työssä käsitellyt jätelämmön käyttötavat tutkittiin kiinteäoksidipolttokennon yhteyteen asennettuna, voi näitä käyttötapoja käyttää myös muissa sovelluksissa, kuten polttomoottoreissa, kaasuturbiineissa ja teollisuusprosesseissa.

Description

Supervisor

Lampinen, Markku

Thesis advisor

Kivisaari, Timo
Saari, Kari

Keywords

waste heat, jätelämpö, solid oxide fuel cell, kiinteäoksidipolttokenno, SOFC, orgaaninen Rankine-sykli, organic Rankine cycle, termosähkö, ORC, absorptio, thermoelectricity, adsorptio, absorption, jäähdytin, adsorption, chiller

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122858876

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG