بررسی عددی بروز نشتی جریان در یک پیل سوختی اکسید جامد تمام متخلخل صفحه‌ای یکسو با سوخت هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

چکیده

پیل سوختی اکسید جامد تمام متخلخل که در آن لایه الکترولیت متخلخل می‌باشد طرحی است که پیل سوختی اکسید جامد دو محفظه‌ای و تک محفظه‌ای را به هم پیوند می‌دهد و مزایای هر دو را با هم ترکیب می‌کند. پیل سوختی اکسید جامد تمام متخلخل به هیچ نوع درزگیر و آب‌بند نیازی ندارد و ایجاد ترک در الکترولیت آن عملکرد پیل را متوقف نمی‌کند. در مطالعه حاضر عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد ‏صفحه‏ای تمام متخلخل یکسو با سوخت هیدروژن تحت شرایط پایا با هندسه دو بعدی برای اولین بار بصورت عددی بررسی می‌شود. معادلات حاکم شامل گونه شیمیایی، جرم، اندازه حرکت،  بار و انرژی می‌باشد که بصورت کاملا کوپل شده با معادلات الکتروشیمیایی حل می‌شوند. از أنجا که هیچ مرجعی از عملکرد پیل سوختی اکسید جامد تمام متخلخل با سوخت هیدروژن در دسترس نمی‌باشد، جهت صحه‌گذاری ابتدا مدلسازی عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد معمولی با سوخت هیدروژن صورت می‌گیرد و نتایج آن با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار می‌گیرد سپس تغییرات در مدل جهت اعمال تخلخل لایه الکترولیت لحاظ می‌گردد. نتایج کاهش ۲۹ درصدی در ماکزیمم چگالی توان تولیدی توسط پیل سوختی اکسید جامد تمام متخلخل را در مقایسه با نوع متداول آن تحت شرایط ورودی یکسان نشان می‌دهد. دلیل اصلی این کاهش عملکرد نشت جریان اکسیژن عمدتا از سمت ابتدای کانال هوا به سمت کانال سوخت می‌باشد که این نشتی باعث می‌شود محل وقوع دمای ماکزیمم پیل تغییر کند.

کلیدواژه‌ها


[1]  EG and G Technical Services, Inc. Science Applications International Corporation, Fuel Cell Handbook, sixth edition, US Department of Energy, 2002.
[2]   M. Kamvar, M. Ghassemi and M. Rezaei, Effect of catalyst layer configuration on single chamber solid oxide fuel cell performance, Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 100, pp.98-104, 2016.
[3]   J. Kupecki, K. Motylinski, A. Zurawska, M. Kosiorek and L. Ajdys, Numerical analysis of an SOFC stack under loss of oxidant related fault conditions using a dynamic non-adiabatic model, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 21148-21161, 2019.
[4]   E.A. El-Hay, M.A. El-Hameed and A.A. El-Fergany, Optimized Parameters of SOFC for steady state and transient simulations using interior search algorithm, J. Energy, Vol. 166, pp.451-461, 2018.
[5]   J. Moreno-Blanco, F. Elizalde-Blancas, J.M. Riesco-Avila, J.M. Belman-Flores and A. Gallego-Munoz, On the effect of gas channels-electrode interface area on SOFCs performance, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 446-456, 2019.
[6]   A. Amiri, S. Tang and R. Steinberger-Wilckens, M.O. Tadé: Evaluation of Fuel Diversity in Solid Oxide Fuel Cell Systems, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 43, pp. 23475-23487, 2018.
[7]   R. Bove and S. Ubertini, Modeling Solid Oxide Fuel Cells, Methods, Procedures and Technologies, First Edition, Springer, 2008.
[8]   Y. Wang, W. Jiang, Y. Luo, Y. Zhang and Sh. Tu, Evolution of thermal stress and failure probability during reduction and re-oxidation of solid oxide fuel cell, J. Power Sources, Vol. 371, pp. 65-76, 2017.
[9]   Y. Hao, Z. Shao, J. Mederos, W. Lai, D. G. Goodwin and S. M. Haile, Recent advances in single-chamber fuel cells: Experiment and modeling, Solid State Ionics, Vol. 177, pp. 2013-2021, 2006.
[10] S. Ahn, Y. Kim, J. Moon, J. Lee and J. Kim, Influence of patterned electrode geometry on performance of co-planar, single-chamber, solid oxide fuel cell, J. Power Sources, Vol. 171, pp. 511-516, 2007.
[11] M. Yano, A. Tomita, M. Sano and T. Hibino, Recent advances in single-chamber solid oxide fuel cells: A review, Solid State Ionics, Vol. 177, pp. 3351-3359, 2007.
[12] N. Akhtar, Single-Chamber Solid Oxide Fuel Cells: Modeling and Experiments, PhD thesis, Department of Chemical Engineering, University of Birmingham, Birmingham, UK, 2010.
[13] M. Yano, A. Tomita, M. Sano and T. Hibino, Recent advances in single-chamber solid oxide fuel cells: A review, Solid State Ionics Vol. 177, pp. 3351-3359, 2007.
[14] N. Akhtar, S. P. Decent and K. Kendall, Numerical modelling of methane-powered micro-tubular, single-chamber solid oxide fuel cell, J. Power Sources, Vol. 195, pp. 7796-7807, 2010.
[15] T. Hibino and H. Iwahara, Simplification of solid oxide fuel cell system using partial oxidation of methane, Chemistry Letters, Vol. 22, pp. 1131-1134, 1993.
[16] M. Kamvar, M. Ghassemi and R. Steinberger-Wilckens, The numerical investigation of a planar single chamber solid oxide fuel cell performance with a focus on the support types, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 45, pp. 7077-7087, 2020.
[17] Ch. Y. Chung and Y. Ch. Chung, Performance characteristics of micro single-chamber solid oxide fuel cell: Computational analysis, J. Power Sources, Vol. 154, pp. 35-41, 2006.
[18] M. Liu, Zh. Lu, B. Wei, X. Huang, Y. Zhang and W. Su, Numerical modeling of methane-powered micro-tubular, single-chamber solid oxide fuel cel, J. Power Sources, Vol. 195, pp. 7796-7807, 2010.
[19] N. Akhtar, S. P. Decent, D. Loghin and K. Kendall, A three dimensional numerical model of a single-chamber solid oxide fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 8645-8663, 2009.
[20] N. Akhtar, S. P. Decent and K. Kendall, A parametric analysis of a micro-tubular, single-chamber solid oxide fuel cell (MT-SC-SOFC), Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 765-772, 2011.
[21] X. Jacques-Bedrad, T.W. Napporn, R. Roberge and M. Meunier, Performance and ageing of an anode-supported SOFC operated in single-chamber conditions, J. Power Sources, Vol. 153, pp. 108-113, 2006.
[22] B. Morel, R. Roberge, S. Savoie, T. W. Napporn and M. Meunier, Temperature and performance variations along single chamber solid oxide fuel cells, J. Power Sources, Vol. 186, pp. 89-95, 2009.
[23] Y. Hao and D. G. Goodwin, Numerical Modeling of Single-Chamber SOFCs with Hydrocarbon Fuels, J. Electrochem. Soc., Vol. 154, pp. B207-B217, 2007.
[24] N. Akhtar and K. Kendall, Micro-tubular, solid oxide fuel cell stack operated under single-chamber conditions, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 13083-13088, 2011.
[25] N. Akhtar, Micro-tubular, single-chamber solid oxide fuel cell (MT-SC-SOFC) stacks: Model development, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 90, pp. 814-824, 2012.
[26] N. Akhtar, Modeling of novel porous inserted micro-tubular, single-chamber solid oxide fuel cells (MT-SC-SOFC), Chemical Engineering Journal, Vol. 179, 2012, pp. 277-284.
[27] Y. Hao and D.G. Goodwin, Efficiency and fuel utilization of methane-powered single-chamber solid oxide fuel cells, J. Power Sources, Vol. 183, pp. 157-163, 2008.
[28] W. Kong, Zh. Han, S. Lu, X. Gao and X. Wang, A novel interconnector design of SOFC, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 45, pp. 20329-20338, 2020.
[29] C. Schluckner, V. Subotic, S. Preibl and C. Hochenauer, Numerical analysis of flow configurations and electrical contact positions in SOFC single cell and their impact on local effects, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 1877-1895, 2019.
[30] J. Moreno-Blanco, F. Elizalde-Blancas, J.M. Riesco-Avila, J.M. Belman-Flores and A. Gallegos-Munoz, On the effect of gas channels-electrode interface area on SOFCs performance, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 446-456, 2019.
[31] Y. Guo, M. Bessaa, S. Aquado, M. Cesar Steil, D. Rembelski, M. Rieu, J. Viricelle, N. Benameur, Ch. Guizard, C. Tardivat, Ph. Vernoux and D. Farrusseng, An all porous solid ocide fuel cell (SOFC): a bridging technology between dual and single chamber SOFCs, Energy Environ. Sci., Vol. 6, pp. 2119-2123, 2013.
[32] H. Xu, B. Chen, P. Tan, J. Xuan, M. Mercedes Maroto-Valer, D. Farrusseng, Q. Sun and M. Ni, Modelling of all-porous solid oxide fuel cells with a focus on the electrolyte porosity design, Applied Energy, Vol. 235, pp. 602-611, 2019.
[33] H. Xu, B. Chen, P. Tan, Y. Zhang, Q. He, Zh. Wu and M. Ni, The thermal effects of all-porous solid oxide fuel cells, J. Power Sources, Vol. 440, Article 227102, 2019.
[34] B. Timurkutluk, S. Celik, C. Timurkutluk, M.D. Mat and Y. Kaplan, Novel electrolytes for solid oxide fuel cells with improved mechanical properties, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 37, pp. 13499-13509, 2012.
[35] M. Ghassemi, M. Kamvar and R. Steinberger-wilckens, Fundamentals of heat and fluid flow in high temperature fuel cells, First Edition, Elsevier, 2020.
[36] D.A. Nield and A. Bejan, Convection in Porous Media, Third Edition, Springer, 2006.
[37] G.K. Batchelor, An Introduction To Fluid Dynamics, Cambridge University Press, 2000.
[38] R. Taylor and R. Krishna, Multicomponent mass transfer, First Edition, John Willey & Sons, Inc. 1993.
[39] M. Kaviany, Principles of heat transfer in porous media, Second Edition, Springer, 1995.