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An Improved Model for a Combined Heat and Power System Equipped with Fuel Processing and PEMFC, a Techno-Economic and Environmental Feasibility Study

Shahin Jahangiri

Master's thesis (2022)

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Abstract

This work is on the study of a techno–economic and environmental feasibility of a CHP system equipped with fuel processing and Proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) for residential applications. The fuel processing unit transforms natural gas (NG) to hydrogen, and the PEMFC uses this hydrogen to supply demanding power and heat to the buildings. This study modeled some configurations of NG processing system with PEMFC system using a steady state condition Aspen HYSYS simulation software. Energy efficiency and exergy analysis for the process configurations at different operating conditions were studied. In this study four process models were investigated. Two of them are the reference configurations were designed based on what are proposed by Ballard Power Systems. The first process configuration includes a fuel processing unit supplying the required hydrogen for a low temperature PEMFC for heat and power generation. The second model is equipped with a fuel processing system with no H2 purification unit working integrated with a high temperature PEMFC. In the configuration 3, which is an open art model a pressure swing adsorption was incorporated in the reference configuration of SMR-WGS-PROX-LTPEMFC instead of preferential oxidation unit. In the proposed model, a high temperature PEMFC is integrated in the process model 3. The idea of the proposed configuration is to use the outlet gas of the model 3 and to feed a high temperature PEMFC for further power and heat generation. This makes an integrated low and high temperature PEMFC system. To best of our knowledge, the idea of the design in this last configuration is novel and it is presented by this study.

Résumé

Ce travail porte sur une étude de faisabilité technico-économique et environnementale d'un système de cogénération équipé d'un traitement de combustible et d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) pour des applications résidentielles. L'unité de traitement du combustible transforme le gaz naturel (GN) en hydrogène, et la PEMFC utilisant l'hydrogène pour alimenter en électricité et en chaleur nécessaires aux applications résidentielles. Cette étude a modélisé la configuration du système de traitement du gaz naturel en hydrogène et son utilisation dans le système PEMFC à l'aide du logiciel de simulation Aspen HYSYS en régime permanent. L'efficacité énergétique et l'analyse de l'exergie pour des configurations de processus dans différentes conditions de fonctionnement ont été étudiées. Deux d'entre eux sont les configurations de référence ont été conçues sur la base de ce qui est proposé par Ballard Power Systems qui utilisent l'oxydation partiell. La première configuration du processus utilisé par Ballard comprend une unité de traitement de combustible par oxydation partielle fournissant l'hydrogène requis pour une PEMFC à basse température pour la production de chaleur et d'électricité. La deuxième configuration est équipée d'un système de traitement du carburant plus simple fonctionnant en intégration avec une PEMFC haute température. Dans la configuration 3, qui est un modèle d'art ouvert, une adsorption modulée en pression a été incorporée dans la configuration de procédé 1 à la place de l'unité d'oxydation préférentielle pour laquelle une pile PEMFC basse température est alimentée Dans la configuration de processus 4, Quelle est la configuration proposée de cette recherche, une PEMFC haute température est intégrée dans la configuration 3. L'idée de la configuration proposée est d'utiliser les gaz de dégagement de la PEMFC basses température de la configuration 3 pour alimenter une PEMFC haute température intégrée pour une production d'électricité et de chaleur supplémentaire. À notre connaissance, l'idée de la conception dans cette configuration est nouvelle est sur deux aspects : l'utilisation de l'adsorption modulée en pression et surtout l'intégration des piles basses températures et hautes températures et elle est présentée par cette étude.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Oumarou Savadogo
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10553/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Oct 2023 08:47
Last Modified: 09 Apr 2024 11:53
Cite in APA 7: Jahangiri, S. (2022). An Improved Model for a Combined Heat and Power System Equipped with Fuel Processing and PEMFC, a Techno-Economic and Environmental Feasibility Study [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10553/

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