مدلسازي ترموديناميكي يك واحد توان كمكي مجهز به پيلسوختي اكسيد جامد لولهاي با كاربرد در سيستمهاي پيشرانش هوايي

Thermodynamic Modeling of an Auxiliary Power Unit Equipped with a Tubular Solid Oxide Fuel Cell with Application in Aerospace Power System

قابليت پيل‌هايسوختي اكسيد‌ جامد در تركيب با سيكل توربين گاز سبب شده است كه سيستم تركيبي حاصل به عنوان يك سيستم توليد توان جديد مد نظر پژوهشگران مختلف قرار گيرد. از كاربردهاي مهم اين نوع سيستمهاي هيبريدي استفاده از آنها در واحدهاي پيشرانش هواپيماهاي بدون سرنشين و مسافربري به عنوان واحد توان كمكي است. هدف عمده اين تحقيق طراحي يك سيستم توليد توان كمكي هيبريدي مجهز به پيلسوختي اكسيد جامد است كه در آينده نزديك يكي از نيازهاي اساسي جهت توليد توان الكتريكي در هواپيماهاي بزرگ خواهد بود. پارامترهاي طراحي و متغيرهاي تصميمگيري در تحليل سيستم، نسبت فشار كمپرسور، دماي گازهاي ورودي به توربين و تعداد سلول پيل انتخاب شدهاند. نتايج نشان ميدهد كه افزايش فشار كاري سيستم سبب كاهش دماي گازهاي خروجي از توربين و دماي كاري پيل شده و اين مسيله به شدت بر روي توان توليدي و راندمان الكتريكي سيستم اثر ميگذارد. در دماي 1000 درجه سلسيوس براي گازهاي ورودي به توربين راندمان الكتريكي سيستم در حدود 49 درصد است. حداكثر راندمان الكتريكي سيستم در پيلسوختي نيز در حدود 55 درصد برآورد ميگردد. بررسي نتايج به دست آمده نشان ميدهد كه در صورت كنترل حرارت توليد شده در پيل و استفاده مفيد از آن راندمان كلي سيستم تا حدود 84 درصد قابل افزايش خواهد بود. از طرف ديگر افزايش تعداد سلولهاي توده پيل-سوختي سبب افزايش راندمان الكتريكي و كاهش راندمان كلي سيستم هيبريدي خواهد شد.

Solid oxide fuel cells capability in combination with gas turbine cycle has caused the obtained synthetic system to become a new power production system in the opinion of different researchers. One of the important applications of this type of hybrid system is to use them in UAV propulsion systems and in airliners as an APU. The main purpose of this research is design of a hybrid APU equipped with solid oxide fuel cell which would be one of the basic requirements for electric power generation in larger aircrafts in the future. Design parameters and decision-making variables in analysis of this system are the compressor pressure ratio, gas temperatures entrance to turbine and the number of selected cells. The results show that the system’s increasing pressure causes decrease in the temperature of outlet gases from the turbine and the cell’s operating temperature; and this problem severely affects the productivity and efficiency of the electrical system. At 1000°C, for entrance gases to the turbine, electrical efficiency of system is about 49 percent. Also, the maximum electrical efficiency of the system in fuel cell is estimated to be about 55 percent. The obtained result shows that in case of controlling the generated heat in the cell and effective usage of it, the overall system efficiency will be increased about 84 percent. On the other hand, increasing the number of cells will cause electrical efficiency to increase and reduce the overall efficiency of the fuel cell hybrid system.