Trójwymiarowa numeryczna analiza zjawisk transportowych zachodzących
w układzie anoda-elektrolit-katoda ogniwa paliwowego typu SOFC
W niniejszej rozprawie opisana jest konstrukcja, walidacja i szereg aplikacji trójwymiarowego, mikroskalowego modelu układu anoda-elektrolit-katoda ogniwa paliwowego z elektrolitem stałotlenkowym (SOFC). Właściwości elektrochemiczne modelowanych materiałów anodowych i katodowych oparto o dane eksperymentalne z otwartej literatury. Do obliczenia lokalnych szybkości reakcji stosowany jest model Butlera-Volmera. Transport dyfuzyjny w porach o średnicy zbliżonej do średniej drogi swobodnej cząstek gazu opisany jest za pomocą Modelu Interpolacyjnego Cylindrycznych Porów (CPIM). Dyskretyzacja modelu odbywa się za pomocą Metody Objętości Skończonych, uzyskane równania rozwiązywane są za pomocą metody Sukcesywnej Nadrelaksacji z lokalną linearyzacją. Domena obliczeniowa oparta jest na cyfrowych rekonstrukcjach z nanotomografii FIB-SEM. Metody numeryczne zaimplementowano w autorskim kodzie C++. Model został poddany walidacji poprzez porównanie wyników z danymi eksperymentalnymi z komercyjnego stosu ogniw SOFC. Model posłużył do przeprowadzenia studium parametrycznego, oceny wpływu niejednorodności mikrostruktury i analizy transportu w ogniwach o cienkim elektrolicie. Zastosowany został również do wyjaśniania nietypowych wyników eksperymentu starzeniowego, w którym zaobserwowano polepszenie pracy ogniwa. Ustalono, że przyczyną był spadek krętości porów na skutek ewolucji mikrostruktury.
Three-dimensional numerical analysis of transport phenomena in a
Positive-Electrolyte-Negative assembly of a Solid Oxide Fuel Cell
In this dissertation, a three-dimensional, microstructure-scale model of a Solid Oxide Fuel Cell Positive-Electrolyte-Negative assembly is constructed, validated and applied to a series of research problems. Empirical data from open literature are used to compute conductivities and exchange current densities for anodic and cathodic materials. Butler-Volmer model is applied to compute local reaction rates, the free-molecular, and the continuum-flow diffusion are accounted for using Cylindrical Pore Interpolation Model. The model equations are discretized using the Finite Volume Method, and solved using the Successive Over-Relaxation method with local linearization. The computational domain is based on digital microstructure reconstructions obtained using the Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy. The methods are implemented in an in-house code written in C++. The model is validated against empirical data from a commercial Solid Oxide Fuel Cell stack. Simulations at different operation parameters are performed, the impact of microstructure inhomogeneities is assessed, and transport in thin- electrolyte cells is studied. The model is applied to explain unusual results of a long term operation experiment, in which stack performance enhancement, rather than deterioration was observed. The decrease of pore tortuosity due to microstructure evolution was identified as the cause.
