بررسي عددي سه بعدي عملكرد پيل سوختي اكسيد جامد با ميدان جريان همگرا واگرا

Three-Dimensional Numerical Study of Solid Oxide Fuel Cell Performance with Converging Diverging Flow Field

نقش مهم صفحات دو‌قطبي در پيل سوختي اكسيد جامد، توزيع يكنواخت واكنش دهنده‌ها به مكان‌هاي انجام واكنش، جمع آوري جريان و جداسازي هر سلول از سلول ديگر است. بنابراين عملكرد يك پيل سوختي اكسيد جامد به‌شدت وابسته به كانال‌هاي عبور جريان هوا و سوخت مي‌باشد. در راستاي بررسي چگونگي تأثير هندسه كانال‌هاي جريان هوا و سوخت روي عملكرد، چگالي جريان و توان، نتايج شبيه‌سازي براي ارزيابي عملكرد دو نوع پيل سوختي با كانال‌هاي مستقيم و كانال‌هاي همگرا واگرا بحث شده‌اند. در اين تحقيق يك مدل سه‌بعدي از پيل سوختي اكسيد جامد صفحه‌اي حمايت شده توسط آند با سوخت هيدروكربني ارائه شده‌است. نتايج نشان مي‌دهد كه اختلاف فشار بين كانال‌هاي همگرا واگرا سبب توليد جريان عرضي در كانال‌ها و دندانه‌ها براي توزيع بهتر واكنش‌دهنده‌ها در پيل سوختي با كانال‌هاي همگرا واگرا مي‌گردد. اين سرعت عرضي سبب افزايش 6 درصدي مصرف سوخت در پيل با كانال‌هاي همگرا واگرا نسبت به پيل با كانال‌هاي مستقيم معمولي در ولتاژ عملكردي 0/7 ولت مي‌شود اما به‌دليل كاهش مساحت كانال‌هاي اين پيل نسبت به پيل معمولي، چگالي جريان در اين پيل 10 درصد كمتر از پيل با كانال‌هاي مستقيم است. در ولتاژهاي عملكردي بالاتر از 0/55 ولت، پيل سوختي با كانال‌هاي همگرا واگرا به علت وجود جريان‌هاي عرضي مصرف سوخت بيشتري نسبت به پيل سوختي با كانال‌هاي مستقيم دارد.

The main important roles of bipolar plates in solid oxide fuel cells are the uniform distribution of reactants to the reaction sites, the collection of current, and the separation of each cell from another. Therefore, the performance of a solid oxide fuel cell is highly dependent on air and fuel flow channel design. In order to investigate how the geometry of air and fuel flow channels affects performance, current, and power density, simulation results are discussed to evaluate the performance of two types of fuel cells with direct ducts and converging-diverging ducts. In this research, a three-dimensional model of an anode-supported hydrocarbon fueled solid oxide fuel cell is presented. The results show that the pressure difference between the converging diverging channels produces a transverse flow in the channels and ribs which is in favor of better distribution of the reactants in the fuel cell with the converging diverging channels. This transverse velocity causes a 6% increase in fuel consumption in the cell with converging diverging channels than the cell with direct channels at a voltage of 0.7V, but due to the reduction of the reaction area of this cell compared to the usual cell, the current density is 10% lower. At voltages above 0.55V, fuel cells with converging diverging channels have a higher fuel consumption than fuel cells with direct channels due to the presence of transverse flows.