Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 119-123.

A hybrid system comprising a high temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell (HT- PEMFC) and a multi-effect water/LiBr absorption refrigeration chiller is investigated analytically. The hybrid system is fueled by either natural gas or flare gas. Moreover, the parameters of the stand-alone HT-PEMFC fueled with hydrogen and each of the sub-systems are optimized, in order to increase the efficiency of the system and decrease its life cost.
The performance of the proposed hybrid system is studied through establishing an integral approach thermodynamic model using energy, species mass conservation, chemical, thermal equilibrium and electro chemical fundamentals. Activation, ohmic and concentration potential losses are all considered in cell voltage calculations. The equivalent cost of electricity (ECOE) is also estimated for the proposed system. Engineering Equation Solver (EES) software package is used for solution predictions.
Parametric studies are conducted for this system over ranges of: fuel cell stack pressure, stack inlet temperature, reformer temperature, gas shift temperature, steam to carbon ratio (SCR), current density as well as the number of absorption chiller effects (Single, double and triple effect). Output power, COP, fuel cell electrical efficiency, cogeneration efficiency, species flow rates and the COE are calculated to investigate the optimum operating range of each of these parameters.
Results showed that, the cell efficiency increases with the increase of temperature and pressure, while decreases with the increase of the current density. Moreover, there is a peak value for the power density after which it decreases again. However, from the life cycle cost analysis, the left side of the peak value at a range of (0.1 to 1) A/cm2 is found to be lower cost. So, a current density of 0.23 A/cm2 is found to be an optimum value, as it has a lower capital cost comparing to a lower running cost.
On the other hand, for fuel processing subsystem, a reformer temperature of 1030K, high gas shift reactor temperature of 550K, low gas shift reactor temperature of 400K and steam to carbon ratio (SCR) of 2 are found to be optimum conditions, taking into consideration hydrogen flow rates, carbon monoxide tolerance and cost analysis.
Furthermore, for absorption systems comparison, the single effect absorption system is found to have the lowest total capital cost (TCC). However, using the triple effect is found to give the lowest equivalent cost of electricity (ECOE). Thus, the triple effect absorption system is preferred to be used.
Finally, for the whole hybrid system fueled with methane, using the previous optimum conditions. A pressure of 1bar, temperature of 200℃ and current density of 0.36 A/cm2 are found to be the operating conditions for the fuel cell to give optimum system outputs of 35.53% fuel cell efficiency, 93.3% cogeneration efficiency, 167.01kW fuel cell electric power, 297.46kW total electric power, 1.644 COP, 329.74kW evaporator capacity, and equivalent cost of electricity of 0.06467 $/kWh.
On the other hand, for the whole hybrid system fueled with flare gas, using the previous optimum conditions and 1mol/s of flare gas, the outputs of the system are found to be 38.46% fuel cell efficiency, 51.84% cogeneration efficiency, 105.23kW fuel cell electric power, 162.35kW total electric power, 168.53kW evaporator capacity, and equivalent cost of electricity of 0.01967 $/kWh.

يتناول هذا البحث دراسة تحليلية لنظام هجين يشتمل على خلية وقودية ذات غشاء تبادلى بروتونى وذات درجة حرارة مرتفعة و مبرد امتصاصى (ماء /بروميد الليثيوم) متعدد المراحل. يعمل النظام الهجين إما بالغاز الطبيعي أو غاز الشعلة. علاوة على ذلك ، تم تحسين معاملات الخلية الوقودية القائمة بذاتها والمزودة بالهيدروجين بالإضافة الى كل الأنظمة الفرعية ، من أجل زيادة كفاءة النظام وتقليل تكلفة استخدامه.
تمت دراسة أداء النظام الهجين المقترح من خلال إنشاء نموذج ديناميكي حراري متكامل باستخدام الطاقة والحفاظ على كتلة الأنواع والتوازن الكيميائي والحراري والأساسيات الكهربائية الكيميائية. و يتم الاخذ بالاعتبار خسائر التنشيط والمقاومة والتركيز المحتملة في حسابات جهد الخلية. كما يتم تقدير تكلفة الكهرباء للنظام المقترح. يتم إستخدم برنامج لحل المعادلات الهندسية يسمى (EES) للتنبؤ بالحلول.
يتم إجراء دراسات بارامترية لهذا النظام على نطاقات: ضغط خلية الوقود ، ودرجة حرارة الخلية ، ودرجة حرارة المفاعل ، ودرجة حرارة محول الغاز ، ونسبة البخار إلى الكربون ، وكثافة التيار بالإضافة إلى عدد مراحل مبرد الامتصاص (فردي ، مزدوج و ثلاثي). يتم احتساب الطاقة المولدة من النظام ، ومعامل الاداء ، والكفاءة الكهربائية ، وكفاءة التوليد المشترك ، ومعدلات التدفق و تكلفة انتاج الكهرباء لمعرفة نطاق التشغيل الأمثل لكل من هذه المعاملات.
أظهرت النتائج أن كفاءة خلايا الوقود تزداد مع زيادة درجة الحرارة والضغط بينما تتناقص مع زيادة كثافة التيار. علاوة على ذلك ، توجد قيمة ذروة لكثافة القدرة والتى تتناقص بعدها مرة أخرى. ومع ذلك ، من تحليل تكلفة دورة الحياة ، وجد أن الجانب الأيسر من قيمة الذروة في نطاق (0.1 إلى 1) أمبير /سم2 هو الأقل تكلفة. لذلك ، تم العثور على كثافة حالية تبلغ 0.23 أمبير /سم2 لتكون القيمة المثلى ، حيث أن لها تكلفة رأس مال أقل مقارنة بتكلفة تشغيل أقل.
من ناحية أخرى ، بالنسبة للنظام الفرعي لمعالجة الوقود ، تم الحصول على المعاملات المثلى من درجة حرارة المفاعل وتبلغ 1030 كلفن ، ودرجة حرارة مفاعل تحويل الغاز ذو الحرارة العالية وتبلغ 550 كلفن ، ودرجة حرارة لمفاعل تحويل الغاز ذو الحرارة المنخفضة وتبلغ 400 كلفن ، ونسبة البخار إلى الكربون المثالية تبلغ 2 ، أخذين في الاعتبار معدلات تدفق الهيدروجين وتحمل أول أكسيد الكربون وتحليل التكلفة.
علاوة على ذلك ، لمقارنة أنظمة الامتصاص ، وجد أن نظام الامتصاص ذو المرحلة الواحدة لديه أقل تكلفة رأسمالية إجمالية . ومع ذلك ، فإن استخدام نظام الامتصاص ثلاثي المراحل يعطي أقل تكلفة للكهرباء المساوية. وبالتالي ، يفضل استخدام نظام الامتصاص ثلاثى المراحل.
أخيرًا ، بالنسبة للنظام الهجين والذي يتم تغذيته بالميثان ، باستخدام الظروف المثلى السابقة. وجد أن ضغط 1 بار ودرجة حرارة 200 مئوية وكثافة تيار 0.36 أمبير /سم2 هى ظروف التشغيل لخلية الوقود لإعطاء مخرجات مثلى للنظام من كفاءة خلية الوقود بنسبة 35.53٪ ، وكفاءة التوليد المشترك للطاقة بنسبة 93.3٪ ، و 167.01 كيلو وات للطاقة الكهربائية لخلية الوقود ، 297.46 كيلو وات إجمالي الطاقة الكهربائية ، 1.644 معامل الأداء ، سعة المبخر 329.74 كيلو وات ، وتكلفة الكهرباء المساوية 0.06467 دولار /كيلو وات.ساعة.
من ناحية أخرى ، بالنسبة للنظام الهجين الذي يتم تغذيته بغاز الشعلة ، باستخدام الظروف المثلى السابقة و 1 مول / ثانية من غاز الشعلة ، وجد ان مخرجات النظام تكون 38.46٪ كفاءة خلية الوقود ، 51.84٪ كفاءة التوليد المشترك ، 105.23 كيلو وات الطاقة الكهربائية لخلية الوقود ، إجمالي الطاقة الكهربائية 162.35 كيلو وات ، سعة المبخر 168.53 كيلو وات ، وتكلفة الكهرباء المساوية 0.01967 دولار /كيلو وات.ساعة.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.