Wieloskalowy model matematyczny stosu ogniw paliwowych typu SOFC
Ogniwa paliwowe typu SOFC (z ang. Solid Oxide Fuel Cell) są jednymi z najbardziej obiecujących i przyszłościowych urządzeń do konwersji energii. Charakteryzują się przede wszystkim: możliwością stosowania w systemach o różnorakiej skali przy zachowaniu wysokiej sprawności konwersji energii, niską emisją gazów cieplarnianych i brakiem emisji substancji toksycznych, możliwością konwersji różnego typu paliw, takich jak wodór, gaz syntezowy czy węglowodory oraz możliwością stosowania w układach kogeneracyjnych. Jednakże istnieją też przeszkody, które blokują komercyjne wdrożenie ogniw typu SOFC na szeroką skalę. Najważniejszym z nich jest kontrola warunków termicznych w ogniwie lub stosie ogniw typu SOFC. Ponadto produkcja energii elektrycznej w ogniwach typu SOFC zależy od skomplikowanej mikrostruktury porowatych elektrod. Aby rozwiązać problemy oraz poznać relacje między mikrostrukturą oraz osiągami ogniwa, można wykorzystać techniki modelowania matematycznego. Modele ogniw paliwowych typu SOFC, spotykane w literaturze, są zazwyczaj ograniczone do modeli w mikro- lub makroskali. Dlatego też w niniejszej pracy zaproponowano nowego typu model matematyczny ogniwa oraz stosu ogniw typu SOFC, model wieloskalowy. Model taki umożliwia połączenie analizy zjawisk transportu ciepła i masy w całym układzie ze szczegółowym opisem zjawisk zachodzących w porowatych elektrodach. Aby potwierdzić poprawność zaproponowanego modelu, zostały wykonane testy elektrochemiczne stosu ogniw paliwowych typu SOFC. Następnie za pomocą tomografii elektronowo-jonowej FIB-SEM (z ang. focused ion beam - scanning electron microscope) zobrazowano mikrostrukturę elektrod ogniwa. Przygotowany oraz przetestowany model został wykorzystany do analizy zjawisk transportu i osiągów pojedynczego ogniwa typu SOFC oraz nowego typu stosu ogniw paliwowych typu SOFC. Przedyskutowany został mechanizm generacji prądu elektrycznego w ogniwie typu SOFC oraz wykonana została analiza relacji między parametrami mikrostruktury oraz osiągami ogniwa. Wykonane zostały także obliczenia
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are one of the most promising energy conversion devices for the future. Among their advantages, there are: good scalability and high energy conversion efficiency in all scales, low emission of greenhouse gases, no emission of toxic substances, fuel flexibility and the possibility of use in combined heat and power systems. However, several issues slow down commercialization of SOFCs, such as thermal management problems. Moreover, the electrochemical processes in the solid oxide fuel cells are strongly dependent on the complex microstructure of the porous electrodes. To reveal these relations, mathematical modeling is an useful tool. Most of the published mathematical models of SOFCs are limited to micro- or macro-scale. Therefore, in this thesis, a novel multiscale model of SOFC, which combines a possibility to analyze mass and heat transfer in the single cell or the stack of solid oxide fuel cells with the detailed analysis of transport phenomena in the porous microstructure is proposed. The numerical model, built from the mathematical model, uses advanced numerical techniques to resolve the governing equations. To confirm the model validity, an unique set of experimental data from the electrochemical tests of the short stack was collected. The microstructure of the SOFC was obtained by the direct observation using the focused ion beam - scanning electron microscope (FIB-SEM) method. The model was adopted to the single cell simulation and the simulation of a new type of the SOFC stack. The discussion of the mechanism of the current generation in the SOFC is presented. The results show the relationship between the microstructure of the electrodes and cell performance, regarding the current production and the temperature rise. Furthermore, the analysis of the impact of various operation parameters on the stack performance was performed.
