Improving the efficiency of an energy system with an internal combustion engine using a solid oxide fuel cell

Abstract

This paper explores the possibility of using a solid oxide fuel cell as part of an energy system with an internal combustion engine running on bioethanol, incorporating thermochemical waste gas heat recovery. The main goal of the research is to determine the efficiency of energy conversion in energy systems with deep waste gas heat recovery. To achieve this goal, the following tasks were set: based on experimental studies of a spark-ignition engine running on bioethanol, determine the parameters of the process for synthesizing gas through thermochemical conversion; theoretically investigate the efficiency of using a solid oxide fuel cell in combination with a bioethanol thermochemical conversion reactor. The most significant result is the determination of the volt-ampere characteristic of the solid oxide fuel cell and the identification of the potential heat recovery capacity of the internal combustion engine ex-haust gases through deep heat recovery. The significance of the obtained results lies in the theoretical and experimental validation of efficient energy conversion of synthesis gas in a solid oxide fuel cell, achieving a high thermodynamic efficiency of the cell (0.95–0.75). The proposed energy system con-figuration, based on an internal combustion engine running on bioethanol with thermochemical waste heat recovery, allows for a 6.5% increase in the overall system power output. This contributes to reduced fuel consumption and improved environmental performance. The research findings can be applied in the design and development of highly efficient energy systems with internal combustion engines for various applications.

Această lucrare explorează posibilitatea utilizării unei celule de combustibil cu oxid solid ca parte a unui sistem energetic cu un motor cu ardere internă care funcționează pe bioetanol, care încorporează recuperarea termochimică a căldurii gazelor reziduale. Scopul principal al cercetării este de a determina eficiența conversiei energiei în sistemele energetice cu recuperare adâncă a căldurii gazelor reziduale. Pentru atingerea acestui scop, au fost stabilite următoarele sarcini: pe baza studiilor experimentale ale unui motor cu aprindere prin scânteie care funcționează pe bioetanol, determinarea parametrilor procesului de sintetizare a gazului prin conversie termochimică; teoretic investigați eficiența utilizării unei celule de combustie cu oxid solid în combinație cu un reactor de conversie termochimică a bioetanolului. Rezultatul cel mai semnificativ este determinarea caracteristicii volt-amperi a celulei de combustie cu oxid solid și identificarea capacității potențiale de recuperare a căldurii a gazelor de eșapament ale motorului cu ardere internă prin recuperarea profundă a căldurii. Semnificația rezultatelor obținute constă în validarea teoretică și experimentală a conversiei eficiente a energiei gazului de sinteză într-o pilă de combustie cu oxid solid, realizând o eficiență termodinamică ridicată a celulei (0,95–0,75). Configurația propusă a sistemului energetic, bazată pe un motor cu ardere internă care funcționează cu bioetanol cu recuperare termochimică a căldurii reziduale, permite o creștere cu 6,5% a puterii totale a sistemului. Acest lucru contribuie la reducerea consumului de combustibil și la îmbunătățirea performanței de mediu. Rezultatele cercetării pot fi aplicate în proiectarea și dezvoltarea de sisteme energetice extrem de eficiente cu motoare cu ardere internă pentru diverse aplicații.

В статье рассмотрена возможность применения твердооксидного топливного элемента в составе энергетической установки с двигателем внутреннего сгорания, работающим на биоэтаноле с термохимической утилизацией тепла отходящих газов. Основной целью исследования является определение эффективности энергопреобразования в энергетических установках с глубокой утилизацией тепла отходящих газов. Для достижения цели поставлены следующие задачи: на базе экспериментальных исследований двигателя с искровым зажиганием, работающего на биоэтаноле определить параметры процесса получение синтез-газа термохимическим преобразованием; теоретически исследовать эффективность применения твердооксидного топливного элемента в комплексе с реактором термохимической конверсии биоэтанола. В процессе исследований были подробно рассмотрены различные режимы работы двигателя, а также проведен детальный анализ температуры отходящих газов и синтез-газа, полученного в реакторе конверсии. Наиболее существенным результатом является получение вольтамперной характеристики твердооксидного топливного элемента и установление возможной величины утилизации тепла отходящих газов двигателя внутреннего сгорания за счёт глубокой утилизации. Установлено, что температура синтез-газа достаточна для эффективной работы топливного элемента без необходимости дополнительного подогрева, что является важным фактором повышения общей энергетической эффективности системы. Значимость полученных результатов состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании эффективного энергопреобразования синтез-газа в твердооксидном топливном элементе с достижением высокого термодинамического КПД элемента (0,95...0,75). Предложенная схема энергетической установки на базе ДВС, работающей на биоэтаноле с термохимической утилизацией тепла отходящих газов, позволяет увеличить общую мощность энергоустановки на 6,5 %, что способствует снижению расхода топлива и повышению экологичности. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании и конструировании высокоэффективных энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания различного целевого назначения, включая стационарные и транспортные применения, что демонстрирует широкие перспективы их использования.