Study and numerical simulation of thermo-mass transfer in solid oxide fuel cell (SOFC)

Abstract

In this thesis, a 3D, steady-state numerical model has been developed to analyze the performance of solid oxide fuel cell SOFC. The model is used the finite volumes method to evaluate the optimal operating points as well as the optimal design. However, our resolution was carried out by ANSYS FLUENT software, the results involves the performance curves (j-V), H2 and H2O mass fraction, fuel utilization, Ohmic losses,activation losses, and concentration losses for different physical and geometric parameters. Moreover, we proposed a new design to understand the flow field effects on overall fuel cell performance. The resultshave shown that increasing the operating temperature, pressure, and porosity improved the performance. While the anode supported had significantly better performance than cathode and electrolyte supported. The results also showed that a significant improvement in the power density for a fixed voltage (V=0.6 V). Clearly, we were able to improve the performance starting from the initial operating parameters. The optimized model shows that the use of the optimal parameters compared to the initial operating parameters increases the power density from 1.416 A/cm2 to 1.801 A/cm2.We have also change the thickness of the anode from the 0.7 mm value to the optimal 0.3 mm value. With making the electrolyte layer thin is necessary to diminish the Ohmic overpotential and improve the cell performance. Moreover, the results shows the sinusoidal design gave a better distribution of velocities and temperatures than the single flow, which improved the transport of hydrogen of the cell. The results shows the best configuration and calculates the optimal operating parameters allowing maximum power production, and this could be useful in choosing the best configuration for certain applications requiring the greatest achievable performance. Our model was verified using previous works in literature and gives a suitable agreement.

في هذه الأطروحة ، تم تطوير نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد ثابت الحالة لتحليل أداء خلية وقود الأكسيد الصلبSOFC. يستخدم النموذج طريقة الأحجام المحدودة لتقييم نقاط التشغيل المثلى بالإضافة إلى التصميم الأمثل. تم تنفيذ حلنا بواسطة برنامجANSYS FLUENT، والنتائج تشمل: منحنيات الأداء(j-V)، و جزء الكتلة H2 و H2O، واستخدام الوقود ، والفقد الأومي ، وخسائر التنشيط ، وفقدان التركيز لوسائط فيزيائية وهندسيةمختلفة. علاوة على ذلك ، اقترحنا تصميمًا جديدًا لفهم تأثيرات مجال التدفق على الأداء الكلي لخلايا الوقود. أظهرت النتائج أن زيادة درجة حرارة التشغيل والضغط والمسامية حسنت الأداء. في حين أن القطب الموجب المدعوم كان له أداء أفضل بكثير من دعم الكاثود والإلكتروليت. كما أظهرت النتائج تحسناً معنوياً في كثافة القدرة لجهد ثابت (V = 0.6 فولت). بوضوح ، تمكنا من تحسين الأداء بدءًا من معلمات التشغيل الأولية. يوضح النموذج الأمثل أن استخدام المعلمات المثلى مقارنة بمعلمات التشغيل الأولية يزيد من كثافة الطاقة من 1.416 أمبير / سم 2 إلى 1.801 أمبير / سم 2. لقد قمنا أيضًا بتغيير سمك الأنود من قيمة 0.7 مم إلى القيمة المثلى 0.3 مم. من الضروري جعل طبقة المنحل بالكهرباء رقيقة لتقليل الجهد الأومي الزائد وتحسين أداء الخلية. علاوة على ذلك ، أظهرت النتائج أن التصميم الجيبي أعطى توزيعًا أفضل للسرعات ودرجات الحرارة مقارنةً بالتدفق الأحادي ، مما أدى إلى تحسين نقل الهيدروجين في الخلية. تُظهر النتائج أفضل تكوين وتحسب معلمات التشغيل المثلى التي تسمح بأقصى إنتاج للطاقة ، وقد يكون ذلك مفيدًا في اختيار أفضل تكوين لتطبيقات معينة تتطلب أفضل أداء يمكن تحقيقه. تم التحقق من نموذجنا باستخدام الأعمال السابقة.