Numeryczna analiza pola gęstości prądu i temperatury w ogniwie paliwowym

Abstract

In the last years fuel cells have found the wide range of application as alternative power sources. Their popularity due to lowering costs of the energy production and arising costs of mining and utilization of the traditional fuels such as coal or oil. The influence on the lowering costs of the production and utilization of the fuel cell systems has applying the better and cheaper materials used to the production of the fuel cells and optimisation of the operational parameters of fuel cell systems. The optimisation was possible by applying numerical simulations and modelling the processes, which take place in the entire of the fuel cell and also in the external components of the fuel cell systems. The main goal of this work is to prove the possibility of the numerical modelling of the current density and temperature fields in the whole fuel cell. Because these phenomena are closely related to the electrochemical reactions which occurring at the boundary between electrodes and electrolyte of the cell, they cannot be modelled without the analysis of the reactants flow in the electrodes-electrolyte assembly. For this reason the additional goal of this work to develop the models of the mass transport in the fuel cell. The models give the possibility of the further investigations of the fuel cells phenomena. On the basis of the mass transport laws the numerical models described by the non-linear partial differential equations were developed. These models give the possibility to calculate the reactants flow in the individual parts of the fuel cell. On this base the extended numerical models, which enable calculations of electrical and temperature fields, were developed. The lots of aspects of the fuel cell operation such as timedomain analysis or effects of material parameters on fuel cell performance were also investigated. To the each of these numerical models the computational example is atattached. The examples illustrate the essence of the phenomenon, which take place in the entire of the fuel cell. The systems of non-linear partial differential equations describing the models were solved using finite element method. W ostatnich latach ogniwa paliwowe znajdują coraz szersze zastosowanie jako alternatywne źródła energii. Na wzrost ich popularności ma wpływ wysoki współczynnik konwersji energii chemicznej paliwa w energię elektryczną, ekologia pracy oraz rosnące koszty pozyskania i użytkowania tradycyjnych źródeł energii. Obniżenie kosztów produkcji i eksploatacji ogniw paliwowych jest związane ze stosowaniem coraz lepszych i tańszych materiałów używanych do ich produkcji, jak również z optymalizacją pracy systemów wykorzystujących ogniwa paliwowe jako źródło energii. Ten ostatni czynnik jest możliwy dzięki numerycznej analizie i modelowaniu zjawisk zachodzących w samym ogniwie i układach z nim współpracujących. Głównym celem niniejszej pracy jest wykazanie, że istnieje możliwość efektywnego modelowania pola gęstości prądu i temperatury w ogniwie paliwowym. Ponieważ zjawiska te są ściśle związane z reakcjami elektrochemicznymi zachodzącymi na styku elektrod i elektrolitu nie można ich rozpatrywać bez analizy przepływu reagentów wewnątrz ogniwa. Z tego powodu dodatkowym celem pracy stało się opracowanie modeli transportu masy, na podstawie których możliwa jest dalsza analiza zjawisk zachodzących w ogniwie paliwowym. Opierając się na prawach rządzących transportem masy zostały opracowane numeryczne modele opisane układami nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych, umożliwiające obliczenie rozpływu reagentów w poszczególnych częściach ogniwa. Na ich podstawie zbudowano modele umożliwiające obliczenie pola elektrycznego i temperatury. Przeanalizowano wiele aspektów pracy ogniwa paliwowego, począwszy od problemów związanych z rozruchem ogniwa i pracy w stanie nieustalonym, kończąc na zbadaniu wpływu własności materiałowych na pracę ogniwa. Do każdego zagadnienia modelowego dołączono przykład obliczeniowy ilustrujący istotę zjawisk zachodzących wewnątrz ogniwa paliwowego. Układy nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych opisujące poszczególne modele ogniwa paliwowego zostały rozwiązane przy użyciu metody elementów skończonych.