Προσομοίωση φυσικοχημικών διεργασιών σε κυψέλες καυσίμου

Abstract

The technology of fuel cells, capable of achieving higher efficiencies compared with conventional power systems, has the potential to contribute to energy conservation and in general to confront contemporary energy and environmental problems. To this end, in the current dissertation a computational model was developed to investigate solid oxide fuel cell’s (SOFC’s) performance under various operational conditions and different fuel feedstock. In particular, the transport processes (i.e. the flow field, the heat transfer, the mass and the charge transport) taking place in a fuel cell, were thoroughly simulated. The effect of operational parameters such as the fuel composition and the applied potential on species distribution and temperature profile as well as on the developed current along the fuel cell was studied. Further to the most common fuel cell feedstock, hydrogen, other fuels such as synthesis gas, methane/steam mixtures and biogas were also examined. It should be mentioned that in the performed simulations the effect of homogenous (water gas shift) and heterogeneous reactions (catalytic and electro-catalytic surface processes) was taken into account. In order to validate the model, the polarization curves (cell voltage – current – power curves, V-I-P), produced by the simulations, were compared to experimental ones, available on the relative literature, and the results showed satisfactory convergence. Additionally, for the methane consisting feeds, a thermodynamic analysis was employed to estimate whether or not carbon deposition was thermodynamically favored or prohibited in the SOFC anode. In conclusion, it was found that the feedstock type and composition are crucial and determinant factors for the produced power density and the overall performance. It was also clear that feedstock other than hydrogen can be used in SOFCs with sufficiently high efficiencies. In parallel, the water gas shift reaction seemed to be important for the species distribution in the fuel cell and consequently for the produced power density. Moreover, it was found that the electrochemical oxidation of CO, which is usually not taken into consideration in the models found in the relative literature, could contribute to additional current production. Simulations allowed for the calculation of temperature distributions and the definition of thermal stresses positions, while the possibility of carbon deposition at the anode electrode was also estimated

Η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, επιτυγχάνοντας υψηλές αποδόσεις συγκριτικά με τα συμβατικά συστήματα παραγωγής ενέργειας, δύναται να συμβάλλει στην εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και γενικότερα στην αντιμετώπιση σύγχρονων ενεργειακών προβλημάτων. Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο για τη διερεύνηση της απόδοσης μιας κυψέλης καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας και με χρήση τροφοδοσίας διαφορετικών καυσίμων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τα φαινόμενα μεταφοράς (μεταφορά ορμής, θερμότητας, μάζας, φορτίου) που λαμβάνουν χώρα και εξετάστηκε η επίδραση των διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων όπως η σύσταση του καυσίμου και το επιβαλλόμενο δυναμικό τόσο στην κατανομή των χημικών ειδών και στο θερμοκρασιακό προφίλ όσο και στην παραγόμενη ισχύ. Έκτος από το πιο συνηθισμένο καύσιμο τροφοδοσίας των κυψελών καυσίμου, το υδρογόνο, εξετάστηκαν μείγματα αερίου σύνθεσης, μεθανίου/υδρατμών καθώς και βιοαερίου. Στις προσομοιώσεις που πραγματοποιηθήκαν λήφθηκαν υπόψη τόσο ομογενείς αντιδράσεις (αντίδραση μετατόπισης της ισορροπίας του υδραερίου) όσο και επιφανειακές (ετερογενείς καταλυτικές και ηλεκτρο-καταλυτικές διεργασίες). Από τη σύγκριση των καμπυλών δυναμικού – ρεύματος - ισχύος που υπολογίστηκαν από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με τις αντίστοιχες καμπύλες των πειραματικών μετρήσεων που διατίθενται στη διεθνή βιβλιογραφία, διαπιστώθηκε ικανοποιητική προσέγγιση για τις εξεταζόμενες συνθήκες λειτουργίας. Επιπρόσθετα, για την περίπτωση των μειγμάτων τροφοδοσίας που περιλαμβάνουν μεθάνιο, πραγματοποιήθηκε θερμοδυναμική μελέτη ώστε να διερευνηθεί το ενδεχόμενο εναπόθεσης άνθρακα στο ηλεκτρόδιο της ανόδου. Συνολικά, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το είδος και η σύσταση της τροφοδοσίας είναι καθοριστικοί παράγοντες για την παραγόμενη πυκνότητα ισχύος και τη συνολική απόδοση. Διαπιστώθηκε επίσης ότι τροφοδοσίες πέραν του υδρογόνου μπορούν να αξιοποιηθούν στα SOFCs με ικανοποιητικές αποδόσεις. Παράλληλα, κατέστη σαφές ότι η αντίδραση μετατόπισης της ισορροπίας του υδραερίου είναι ιδιαίτερα σημαντική στη διαμόρφωση των χωρικών κατανομών των εμπλεκόμενων χημικών ειδών και κατ’ επέκταση στην παραγόμενη πυκνότητα ισχύος. Επιπλέον, η ηλεκτρο-οξείδωση του CO, η οποία συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη στα μοντέλα της διεθνούς βιβλιογραφίας, φάνηκε ότι μπορεί να συνεισφέρει στην παραγωγή ρεύματος. Μέσω των προσομοιώσεων υπολογίστηκαν οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και εντοπίστηκαν οι θέσεις εμφάνισης θερμικών τάσεων, ενώ παράλληλα έγινε μια πρώτη εκτίμηση για το ενδεχόμενο εναπόθεσης άνθρακα στο ηλεκτρόδιο της ανόδου