Simulation and control of a high temperature solid- oxide fuel cell system for residential micro combined heat and power

CONSULTE EN LINEA A TRAVES DE REPOSITORIO INSTITUCIONAL

tesis ( Ing. Civil Mecánico, mención Energía) -- Prof. Guía: Carlos Rosales; prof. corref.: Mario Toledo; Josef Hebeler

En este estudio se desarrollo un modelo computacional de un sistema de cogeneracion residencial (1 kW) en base a celdas de combustible con electrolito de oxido ceramico. Ademas del modelo, se propusieron dos estrategias de control, con el objetivo de asegurar la seguridad y durabilidad del sistema cuando este se enfrenta a diferentes perturbaciones, en especial una composicion variable del gas natural que utiliza como combustible. El modelo se centro en el hot box, que contiene todos los componentes que operan a alta temperatura, incluida la pila de celdas de combustible. Algunos componentes, entre ellos la pila, fueron modelados en una dimension, para as tener un mejor entendimiento de su comportamiento. Una vez nalizado, se analizo el efecto de operar el modelo con diferentes tipos de gases. Los resultados de realizar esto ultimo mostraron que, si el sistema solo opera con control de bucle abierto, ciertos parametros de operacion importantes (como el grado de utilizacion del combustible, el exceso de oxgeno en la zona de combustion y la razon vapor-carbono) sufren grandes variaciones en su valor, potencialmente poniendo en riesgo al sistema. Esto conrmo que sera necesario dise~nar una estrategia de control con retroalimentacion o de bucle cerrado para el sistema. Con este proposito, dos estrategias de control fueron desarrolladas. La primera estrategia (con- trol jo), no toma en cuenta el tipo de gas con el cual el sistema esta operando, y por lo tanto no es posible asegurar que todos los requerimientos del sistema se satisfagan en todo momento. La segunda propuesta (control variable) incluye un metodo para determinar el tipo the gas que se suministra al sistema. El metodo compara la concentracion de oxgeno en los gases de escape con un valor determinado teoreticamente. La concentracion de oxgeno se medira con una sonda . Las estrategias de control jo y variable mostraron un comportamiento muy similar entre s. Ambas mejoran ampliamente los resultados obtenidos con el control de bucle abierto, manteniendo el grado de utilizacion del combustible y el exceso de oxgeno en valores cercanos a los nominales. Sin embargo, hay una excepcion: como la estrategia ja no puede identicar el tipo de gas, el ujo de agua que se suministra al sistema no es corregido, afectando el valor de la razon vapor-carbono. Esto aumenta el peligro de coquizacion en el reformador y en la pila cuando el nuevo gas tiene un ndice de Wobbe mayor al gas original. Debido a que el control jo no satisface completamente los requerimientos del sistema, y a que el control variable presenta una sensibilidad relativamente alta a errores de medicion y requiere mediciones y partes adicionales, sera ideal usar la estrategia de control jo, que es mas simple, pero con modicaciones para tener en cuenta la razon vapor-carbono. Aunque no fueron desarrolladas en detalle para este estudio, se propusieron y explicarion dos posibles modicaciones que aseguraran un valor correcto de este parametro ante cambios en la composicion del gas natural.