An analysis of transport phenomena in Solid Oxide Fuel Cell stacks with a complex geometry

Abstract

W dzisiejszych czasach kwestie ochrony środowiska stały się istotną częścią każdego sektora gospodarki, wliczając przemysł, rolnictwo i sektor usługowy. Wiele rządów, jak również pojedynczych osób, jest skoncentrowane na transformacji prowadzącej do stania się bardziej ekologicznym. Z tego powodu rozwój nowych, „zielonych” technologii jest kluczowy do wypełnienia stawianych wymagań. Znaczna część światowej emisji gazów cieplarnianych jest związana z wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła, dlatego też rozwój urządzeń służących konwersji energii jest niezbędny do przeprowadzenia procesu transformacji pro-ekologicznej. Jedną z najbardziej obiecujących technologii w tej dziedzinie są ogniwa temperaturowe typu SOFC (z ang. Solid Oxide Fuel Cell), wyróżniające się możliwością stosowania w szerokim zakresie skali mocy przy zachowaniu wysokiej sprawności, niskim poziomem produkowanych zanieczyszczeń, możliwością stosowania różnych paliw oraz możliwością aplikacji w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła. Z powodu stosunkowo wczesnej fazy rozwoju ogniw typu SOFC borykają się one wciąż z problemami, które należy rozwiązać, aby umożliwić szeroką komercjalizację, jak choćby obniżyć koszty produkcji, czy wydłużyć żywotność. Wraz z rosnącym popytem, pożądane są nowe typy i zastosowania ogniw SOFC. Niniejsza praca skupia się na rozwoju dwóch nowatorskich stosów SOFC: stosu opartego na pojedynczym elektrolicie, zwanego z ang. banded SOFC stack oraz dwustronnego stosu opartego na pojedynczym suporcie anodowym z ang. double-sided SOFC stack. W ramach badań nad oboma stosami, zostały przeprowadzone testy eksperymentalne, mające na celu walidację nowo zaproponowanych, złożonych modeli numerycznych. Zaproponowane modele wykazały wysoką dokładność i rzetelność symulacji badanych stosów. Z uwagi na wczesne etapy rozwoju obydwu prototypowych stosów, głównych celem modeli numerycznych było wskazanie niedoskonałości konstrukcyjnych i aspektów limitujących osiągi, a w rezultacie zaproponowanie modyfikacji, mogących zostać zastosowane w kolejnej generacji obu prototypów. W ramach niniejszej rozprawy utworzono modele numeryczne odzwierciedlające zachowanie prototypów w zakresie transportu masy, ciepła i ładunku. W celu wskazania najlepszych rozwiązań i wyznaczenia kierunku dalszego rozwoju prototypów, przeprowadzono symulacje wielu różnych konstrukcji. Otrzymane wyniki dostarczyły istotnych informacji związanych ze zjawiskami transportu w obu stosach SOFC. W rezultacie zaproponowane zostały konstrukcje mogące stanowić kolejne generacje nowych prototypów. As of today, the environmental issues become a major part of every sector of the economy, such as industry, agribusiness, and service sectors. Many governments, as well as individuals, focus on the transformation leading to become more ecological. Therefore, a development of new "green" technologies play a crucial role to fulfill these requirements. Electricity and heat generation produce a major part of worldwide greenhouse gases emissions, thereby a development of energy conversion devices is essential in eco transformation process. One of the most promising technologies in this realm are solid oxide fuel cells (SOFCs), which are distinguished by wide scalability, high efficiency, low pollution production, fuel flexibility, and the possibility to apply in combined heat and power systems. However, as SOFCs are in a relatively early phase of the development, several issues have to be solved to widely commercialize these devices, such as lowering the production costs and lifetime elongation . Along with the growing market, new types and applications of SOFCs are desirable. This thesis focuses on the development of two novel SOFC stacks: a banded SOFC stack, and a double-sided SOFC stack. During this research an experimental study was conducted to validate a newly proposed, highly complex numerical model. Proposed models revealed an accurate and reliable operation. Since both designs are on the early stage of prototyping, the main focus of the numerical model was to indicate design flaws and performance limitations, and in a result, propose modifications which can be applied in next generations of both stacks. The numerical models were established to reflect the behavior of actual prototypes regarding mass, heat, and charge transport within the stacks. Several various designs were simulated to indicate the best solutions and determine the direction of future development. The results bring a relevant information of both stacks regarding transport phenomena. In the wake of numerical simulation, new prototypes designs were proposed.