تحليل عملكرد پيل سوختي اكسيد جامد تك محفظه اي از نوع همصفحه اي با مخلوط متان-اكسيژن-نيتروژن تخت شرايط پايا

Performance analysis of coplanar single chamber solid oxide fuel cell with oxygen-methane-nitrogen mixture under steady state conditions

در مطالعه حاضر عملكرد يك پيل سوختي اكسيد جامد تك محفظه اي از نوع هم صفحه اي با مخلوط متان-اكسيژن-نيتروژن تحت شرايط پايا بصورت عددي بررسي مي‌شود. هندسه پيل دو بعدي در نظر گرفته ميشود و ناحيه محاسباتي از محفظه گازي، الكترود آند، الكترود كاتد و الكتروليت تشكيل ميشود. مخلوط اكسيژن-متان-نيتروژن به ترتيب با كسر جرمي اوليه 7./0، 0/14 و 0/77 به سمت پيل تغذيه ميشود. تمامي خواص فيزيكي تابع دما درنظر گرفته مي شود. معادلات غيرخطي كاملاً كوپل شده حاكم شامل معادلات بقاء جرم، اندازه حركت، گونه شيميايي و بار الكتروني و يوني ميباشد كه در يك نرمافزار تجارتي فرمولبندي شده و با استفاده از روش المان محدود حل ميشوند. جهت نشان دادن صحت مدل، نتايج حاصل از مدل با نتايج يك مدل عددي مشابه مقايسه ميگردد. در پايان تحليل عملكرد پيل شامل توزيع سرعت، دما و غلظت تمامي گونههاي گازي مورد بحث قرار ميگيرد. نتايج نشان ميدهد كه ماكزيمم دما در سمت الكترود آند اتفاق ميافتد كه دليل آن واكنش اكسايش متان است كه به شدت گرماده ميباشد. اين مقدار افزايش دما ايجاده شده در پيل مزيتي ميباشد تا دماي كاري پيل پايينتر آيد. بعلاوه، نشان داده ميشود كه بخش زيادي از هيدروژن به صورت مصرف نشده از محفظه خارج ميشود كه يكي از عوامل اصلي كاهش عملكرد در اين نوع از پيل مي باشد.

In this study, performance of a coplanar single chamber solid oxide fuel cell with oxygen-methane-nitrogen under steady state conditions is investigated. The cell geometry is considered two dimensional and the computational domain is consists of gas chamber, anode electrode, cathode electrode and electrolyte. Oxygen-methane-nitrogen mixture is fed to the cell with initial mass fraction of 0.07, 0.14 and 0.77 respectively. All physical properties are considered as temperature dependent. The fully coupled nonlinear governing equations including mass, momentum, species and charge conservation equations are formulated in commercial software and solved using finite elements method. To show the model accuracy, the current model results are compared with a similar numerical model. Finally, the cell performance analysis including velocity, temperature and concentration of all species is discussed. The results show that the maximum temperature is occurred at anode side. This is due to methane oxidation reaction which is extremely exothermic. This temperature growth is an advantage for the cell to be able to reduce its working temperature. Furthermore, it is shown that a large amount of hydrogen leaves the chamber without any use. This is the main reason of low performance occurred in this type of cell.