Макроскопическое моделирование процессов переноса в планарных твердооксидных топливных элементах: оценка критических факторов

Разработка высокоэффективных и экономически перспективных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) требует поэтапной оптимизации их компонентов с учетом типа конкретного устройства, технологии производства, условий применения и материалов от микро- до макроуровня. Цель настоящей работы - численное моделирование распределения плотности тока, температуры и концентраций топлива и кислорода в планарном ТОТЭ с тонкой несущей твердоэлектролитной мембраной на основе стабилизированного диоксида циркония, двухслойными пористыми электродами и стальными биполярными пластинами из сплава Crofer 22 APU. Моделирование методом конечных объёмов, направленное на определение основных параметров оптимизации конструкции единичного элемента, позволило получить реалистичные интегральные характеристики, сравнимые с экспериментальными характеристиками лабораторных образцов ТОТЭ. Подтверждено, что наличие массивных металлических биполярных пластин в планарной конфигурации ТОТЭ позволяет в значительной степени сгладить окальные неравномерности температурного поля во всем исследованном интервале токов. В качестве ключевых задач выделены: оптимизация ширины и геометрической формы контакта между электродами и токоподводами, расчет оптимальной ширины газовых каналов с учетом применения различных типов топлива и катализаторов, оценка технологически допустимых альтернативных типов конфигурации токоподводов с целью избежать частично изолированных краевых зон с пониженной плотностью тока и экспериментальные исследования электродов вблизи краев зоны контакта с токоподводом, где может происходить спекание и деградация пористых слоев под действием тока. Показано, что при оптимизации конфигурации ТОТЭ граничные условия модели должны выбираться в интервале средних токов вблизи максимальных мощностных характеристик: данный подход обеспечивает минимизацию диффузионных эффектов и достижение режимов, необходимых для практического использования.

твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), планарная конфигурация, численное моделирование, распределение тока, массоперенос, solid oxide fuel cells (SOFCs), planar configuration, numerical modelling, current distribution, mass transfer

1. Badwal S.P.S., Giddey S., Munnings C., Kulkarni A. Review of Progress in High Temperature Solid Oxide Fuel Cells // JOURNAL OF THE AUSTRALIAN CERAMIC SOCIETY. 2014. Vol. 50, No. 1. P. 23-37.

2. Mogensen M., Grunwaldt J.-D., Hendriksen P. V., Dam-Johansen K., Nielsen J. U.// Journal of Power Sources. 2012. Vol. 196. P. 25.

3. Weber A., Ivers-Tiffee E. Materials and Concepts for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) in Stationary and Mobile Applications // Journal of Power Sources. 2004. Vol. 127. P. 273-283.

4. Страница Sunfire. Efficient Electricity Generator. URL : http ://www. sunfire.de/en/produkte/stacks/mk200-sofc-stack (Дата обращения: 16.07.2014)

5. Страница Nextech Materials. NexTech’s Solid Oxide Fuel Cell Technology. URL:http://www.nextechmaterials.com/energy/index.php ?option=com_content&view=article&id=14&Itemid=12 (Дата обращения: 15.09.2014)

6. Буклет Delphi. Delphi Solid Oxide Fuel Cell Stack. URL: http://delphi.com/pdf/ppd/cv/energy/solid-oxide-fuel-cell-stack.pdf (Дата обращения: 15.09.2014)

7. Буклет Hexis. Galileo - decentralised energy and heat supply with fuel cells. URL: http://www.hexis.com/downloads/hexis_prospekt_englis ch_web0703.pdf (Дата обращения: 15.09.2014)

8. Буклет Ceramic Fuel Cells Ltd. Fuel Cell Module for Highly Efficient Electricity. URL: http://www.cfcl.com.au/Assets/Files/Gennex_Brochure_ (EN)_Apr-2010.pdf (Дата обращения: 15.09.2014)

9. Hellman H.L. Van den Hoed R. Characterising Fuel Cell Technology: Challenges of the Commercialisation Process // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. P. 305-315.

10. James B.D., Kalinoski J., Baum K. Manufacturing Cost Analysis Of Fuel Cell Systems. 2011. URL: http ://www. hydrogen. energy.gov/pdfs/review11/fc018_j ames_2011_o.pdf (Дата обращения: 15.09.2014).

11. Andersson M., Yuan J., Sunden B. SOFC Cell Design Optimization Using the Finite Element Method Based CFD Approach // FUEL CELLS. 2014. Vol. 14, No. 2. P. 177-188.

12. Daneshvar K., Dotelli G., Cristiani C., Pelosato R., Santarelli M. Modeling and Parametric Study of a Single Solid Oxide Fuel Cell by Finite Element Method // FUEL CELLS. 2014. Vol. 14, No. 2. P. 189-199.

13. Boedec T., Reytier M., Lhachemi D., Tschumperle D., Louat P., Di Iorio S., Baurens P., Delette G. A New Stack to Validate Technical Solutions and Numerical Simulations // FUEL CELLS. 2012. Vol. 12, No. 2. P. 239-247.

14. Tachikawa Y., Hosoi T., Nishimura T., Shiratori Y., Taniguchi S., Sasaki K. Computational Study of Performance Drop Phenomena Based on Sulfur Adsorption and Desorption Model in Planar-Type SOFCs // ECS Transactions. 2013. Vol. 57, No. 1.P. 2841-2848.

15. Сайт разработчика ПО ANSYSURL: https://www.ansys.com/ (Дата обращения: 15.09.2014).

16. Kulikovsky A.A., Divisek J., Kornyshev A. A. Modeling the Cathode Compartment of Polymer Electrolyte Fuel Cells: Dead and Active Reaction Zones // Journal of Electrochemical Society. 1999. Vol. 146, No. 11. P. 3981-3991.

17. Mazumder S., Cole J.V. Rigorous 3-D Mathematical Modeling of PEM Fuel Cells II. Model Predictions with Liquid Water Transport // Journal of Electrochemical Society. 2003. Vol. 150, No. 11. P. A1510-1517.

18. Um S., Wang C.Y., Chen K.S. Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells // Journal of Electrochemical Society. 2000. Vol. 147, No. 12. P. 4485-4493.

19. Crofer 22 APU Material Data Sheet No. 4046, May 2010 Edition, ThyssenKrupp VDM.