Nghiên cứu các đặc tính hoạt động của các điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) bằng phương pháp mô phỏng số

Nghiên cứu các đặc tính hoạt động của các điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) bằng phương pháp mô phỏng số Nghiên cứu các đặc tính hoạt động của các điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) bằng phương pháp mô phỏng số Nghiên cứu các đặc tính hoạt động của các điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) bằng phương pháp mô phỏng số

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 10 DANH MỤC BẢNG 12 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 13 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 18 1.1 Tính cấp thiết đề tài 18 1.2 Các nghiên cứu liên quan 19 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 28 1.2.3 Tổng kết nghiên cứu 30 1.3 Mục đích đề tài 32 1.4 Phương pháp nghiên cứu 32 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 33 1.6 Nội dung nghiên cứu 33 1.7 Giới hạn đề tài 33 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 34 2.1 Khái niệm pin nhiên liệu 34 2.2 Cấu tạo chung nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu 35 2.2.1 Cấu tạo pin nhiên liệu đơn giản 35 2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu 36 2.3 Sức điện động thuận nghịch pin nhiên liệu 37 2.3 Phân loại pin nhiên liệu pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 41 2.3.1 Phân loại 41 2.3.2 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 42 2.4 HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 44 2.4.1 Hiệu suất lý tưởng pin nhiên liệu 44 2.4.2 Hiệu suất điện áp pin nhiên liệu 45 2.4.3 Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 48 2.4.4 Hiệu suất tổng quát pin nhiên liệu 48 2.5 Phương trình mô 49 2.5.1 Phương trình động học chuyển điện tích 49 2.5.3 Phương trình lượng 50 CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG SỐ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG SOFC 53 3.1 Thiết lập mơ hình 53 3.2 Lựa chọn lời giải phương trình thiết lập điều kiện biên 56 3.3 Thiết lập điều kiện biên thứ cấp 63 3.4 Thiết Lập Mật Độ Dịch Chuyển Điện Tích Trong Lớp Điện Cực Cathode Và Anode (Transport Of Concentrated Species) 66 3.5 Thiết Lập Dòng Chảy Trong Mơ Hình (Free And Porous Media Flow) 71 3.6 Tạo lưới giải mơ hình 74 3.6.1 Tạo lưới 74 3.6.2 Giải mơ hình 76 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 79 4.1 So sánh ảnh hưởng thay đổi độ dày lớp điện phân (electrolyte layer) 79 4.2 So sánh ảnh hưởng thay đổi độ dày lớp điện cực dương (anode) cực âm (Cathode) 80 4.3 Ảnh hưởng nồng độ phân bố H2 điện cực hydro 82 4.4 So sánh thay đổi độ xốp lớp điện cực electrolyte nồng độ mol 83 4.5 So sánh thay đổi kích thước pin nhiên liệu hình trịn hình Vng 85 4.6 So sánh ảnh hưởng thay đổi giá trị nhiệt độ hoạt động pin nhiên liệu SOFC 90 CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97 5.1 Kết luận 97 5.2 Kiến nghị 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ mơ tả pin nhiên liệu - 34 Hình 2 Cấu tạo pin nhiên liệu đơn giản 35 Hình Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động pin nhiên liệu - 36 Hình Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu oxit rắn - 42 Hình Đồ thị biểu diễn sụt áp pin nhiên liệu 45 Hình Sơ đồ vị trí lớp điện cực mơ hình mơ SOFC [29] 53 Hình Mơ hình mơ 54 Hình 3 Tế Bào pin SOFC sau chế tạo [29] 54 Hình Sơ đồ vận hành thực nghiệm pin nhiên liệu [29] 55 Hình chọn lời giải mơ hoạt động pin nhiên liệu oxit rắn SOFC 58 Hình Thư viện liệu thơng số mô xác định ban đầu 59 Hình Thiết lập điều kiện biên thứ cấp lớp điện phân 64 Hình Thiết lập độ xốp điện cực cathode 64 Hình Thiết lập lớp biên tiếp xúc lớp điện cực dương lớp điện cực điện phân 66 Hình 10 Thiết lập giá trị đầu vào cặp cực 74 Hình 11 Tạo lưới mơ hình mơ 76 Hình 12 Sơ đồ khối mơ pin nhiên liệu oxit rắn 78 Hình 4.1: So sánh mật độ điện áp dòng điện SOFC độ dày chất điện phân 79 Hình So sánh độ dày Cathode 80 Hình 3: So sánh độ dày Anode 81 Hình 4: Nồng độ phân bố H2 điện cực hydro SOFC, To = 650 ºC 82 Hình 5: Nồng độ phân bố nồng độ H2 điện cực hydro SOFC, To = 650 ºC, Vo = 0,19 V với độ xốp 0,25; 0,375; 0.55; 0,75 83 Hình 6: Kết mơ nồng độ mol phản ứng lớp điện cực 84 Hình 7: Kết mơ giá trị điện bề mặt điện phân mơ hình mơ pin nhiên liệu chữ nhật 85 10 Hình 4.8: Kết mơ giá trị điện bề mặt điện phân mơ hình mơ pin nhiên liệu mơ hình hình trịn 86 Hình 4.9: Mật độ cơng suất SOFC hình trịn, 650ºC 86 Hình 4.10: Mật độ cơng suất SOFC hình chữ nhật, 650 ºC 87 Hình 4.11: Kết mơ mật độ dịng điện pin nhiên liệu SOFC hình trịn 87 Hình 4.12: Kết mơ mật độ dòng điện pin nhiên liệu SOFC hình vng 88 Hình 4.13: Kết mơ nồng độ mol pin nhiên liệu SOFC hình vng 88 Hình 4.14: Kết mô nồng độ mol pin nhiên liệu SOFC hình trịn 89 Hình 15: Mật độ điện áp dòng điện SOFC To = 650 ºC 90 Hình 4.16: So sánh mật độ điện áp dịng điện SOFC nhiệt độ khác 91 Hình 4.17: Kết mô giá trị điện bề mặt SOFC hình trịn, T=650 ºC 92 Hình 18: Kết mô giá trị điện bề mặt SOFC hình trịn, T=700 ºC 92 Hình 4.19: Kết mô giá trị điện bề mặt SOFC hình trịn, T=750 ºC 93 Hình 4.20: Kết mô giá trị điện bề mặt SOFC hình vng, T=650 ºC 93 Hình 4.21: Kết mô giá trị điện bề mặt SOFC hình vng, T=700 ºC 94 Hình 4.22: Kết mơ giá trị điện bề mặt SOFC hình vng, T=750 ºC 94 Hình 4.23: So sánh kết thực nghiệm mơ nhiệt độ hoạt động 650 ºC 95 Hình 4.24: So sánh kết thực nghiệm mơ nhiệt độ hoạt động 700 ºC 96 Hình 4.25: So sánh kết thực nghiệm mơ nhiệt độ hoạt động 750 ºC 96 11 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Tổng quan số nghiên cứu điển hình pin nhiên liệu Oxit rắn (SOFC) 30 Bảng Biến thiên enthalpy, entropy lượng tự Gibbs điều kiện tiêu chuẩn số chất tiêu biểu [33]………………………………………………………………… 39 Bảng Các thông số nhiệt động học số phản ứng tiêu biểu áp suất 1atm [33] …………………………………………………………………………………………………40 Bảng Tóm tắt đặc điểm loại pin nhiên liệu 43 Bảng Bảng nhập thiết lập giá trị ban đầu đưa vào mô 60 Bảng Thiết lập độ khuếch tán Cathode 68 Bảng 3 Thiết lập độ khuếch tán Anode 68 Bảng Thiết lập điều kiện đối lưu khuếch tán Cathode 69 Bảng Thiết lập điều kiện đối lưu khuếch tán Anode 69 Bảng Thiết lập giá trị Khối lượng phân tử Cathode 73 Bảng Thiết lập giá trị Khối lượng phân tử Anode 73 Bảng Bảng thiết lập tham số biên độ hoạt động mơ hình 77 12 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT SOFC : Pin nhiên liệu oxit rắn p_atm : Áp suất khơng khí , (atm) mu : Độ nhớt, khơng khí , (Pa.s) dp_a : Giảm áp suất cực dương , (pa) dp_c : Giảm áp suất cực âm , (pa) i0_a : Mật độ dòng điện trao đổi, cực dương , (A/m2) i0_c : Mật độ dòng điện trao đổi, cực âm , (A/m2) Sa_a : Diện tích bề mặt cụ thể, cực dương (m2) Sa_c : Diện tích bề mặt cụ thể, cực âm , (m2) V_pol : Sự phân cực tế bào ban đầu , (v) perm_a : Tính thấm cực dương , (m2) perm_c : Tính thấm cathode , (m2) Eeq_a : Điện áp cân bằng, cực dương , (v) Eeq_c : Điện áp cân bằng, cực âm , (v) V_cell : Điện áp di động , (v) kleff_a : Độ dẫn cực dương , (s/m) kseff_a : Độ dẫn điện hiệu rắn cực dương , (s/m) kleff_c : Độ dẫn điện hiệu dụng cực âm , (s/m) kseff_c : Độ dẫn điện hiệu rắn cực âm , (s/m) kl Độ dẫn điện , (s/m) : 13 ks : Độ dẫn dòng điện thu , (s/m) vh2o : Khối lượng động học H2O Mh2 : Khối lượng mol H2 , (g/mol) Mo2 : Khối lượng mol O2 , (g/mol) Mn2 : Khối lượng mol N2 , (g/mol) Mh2o : Khối lượng mol H2O , (g/mol) m1: Tốc độ hình thành nước, (Kg/s) kd : Tính khuếch tán tham chiếu , (m2/s) e_por : Độ xốp Dh2h2o : Sự khuếch tán H2-H2O Do2h2o : Sự khuếch tán O2-H2O Do2n2 : Sự khuếch tán O2-N2 Dn2h2o : Sự khuếch tán N2-H2O Dh2h2oeff : Khuếch tán hiệu H2-H2O Do2h2oeff : Khuếch tán hiệu O2-H2O Do2n2eff : Khuếch tán hiệu O2-N2 Dn2h2oeff : Khuếch tán hiệu N2-H2O w_h2ref : Phần khối lượng đầu vào H2 cực dương w_o2ref : Phần khối lượng đầu vào O2 cực âm w_h2oref : Phần khối lượng đầu vào, H2O cực âm c_tot : Tổng nồng độ mol, (mol) 14 c_o2ref : Nồng độ tham chiếu O2 cực âm, (mol) c_h2ref : Nồng độ tham chiếu H2 cực dương, (mol) c_h2oref : Nồng độ tham chiếu, H2O cực dương , W_channel : Chiều rộng kênh dịng khí , (m) W_rib : Chiều rộng sườn , (m) H_gde : Độ dày điện cực khuếch tán khí , (m) H_electrolyte : Độ dày chất điện phân , (m) H_channel : Chiều cao kênh dòng khí , (m) L : Chiều dài kênh dịng chảy (m) HCt_gde : độ dày điện cực khuếch tán nhiên liệu, (m) HAt_gde : Độ dày điện cực khuếch tán oxy, (m) HCr_gde : Độ dày điện cực khuếch tán nhiên liệu, (mm) HAr_gde : Độ dày điện cực khuếch tán oxy, (mm) hfg: Giá trị tuyệt đối nhiệt hóa tiềm ẩn, (J/kg) Sa_aa : khu vực hoạt động cụ thể, (m2) n : Số electron tham gia phản ứng F : Hằng số Faraday, (F = 96487 C.mol-1) E : Sức điện động thuận nghịch pin nhiên liệu ,(v) Gi : Năng lượng tự chất tạo thành thứ i ,(kJ/mol) Gj : Năng lượng tự chất tham gia phản ứng thứ j , (kJ/mol) 15 G : Sự thay đổi lượng tự phản ứng điều kiện áp suất tiêu chuẩn 1atm nhiệt độ tuyệt đối T, (kJ/mol)) E0 : Sức điện động thuận nghịch pin nhiên liệu điều kiện áp suất tiêu chuẩn 1atm nhiệt độ tuyệt đối T, (v) fi : Hoạt độ chất I, (i = A, B, C, D) R : số khí lý tưởng, ( R  8,314 J mol 1 K 1 )  : Hệ số di chuyển electron phản ứng điện cực i : Mật độ dòng điện, (W/m2) i0 : Mật độ dòng điện trao đổi trạng thái cân bằng, (W/m2) R fc : Điện trở pin nhiên liệu, (  ) i : Cường độ dòng điện (mật độ dịng điện) đơn vị diện tích, (A) Vc : Độ sụt áp nồng độ chất điện phân, (v) iL : Mật độ dòng điện giới hạn, (W)/m2) ps : Áp suất riêng phần bề mặt điện cực, (atm) p0 : Áp suất riêng phần lượng chất đưa vào, (atm) p0 : Áp suất riêng phần lượng chất đưa vào, (atm) io,a : Mật độ dòng trao đổi anode, (A/m2) Ch2 : Nồng độ mol hydro, (mol/m3) CH2O : Nồng độ mol nước, (mol/m3) Ct Tổng nồng độ loài, (mol/m3) : Ch2,ref : Nồng độ tham chiếu, (mol/m3) 16 T : Nhiệt độ, (K)  : Điện áp mức, (V) i0,c : Mật độ dòng trao đổi cathode, (A/m2), xo2 : Tỷ lệ mol oxy Ac : Diện tích mặt cắt, (m2) Nu : Chỉ số Nusselt p : Áp suất, (Pa) Q : Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, (W) q : Mật độ dòng nhiệt, (W/m2) Re : Chỉ số Reynolds T : Nhiệt độ, (oC)  : Độ nhớt động lực học, (Ns/m2)  : Khối lượng riêng, (kg/m3)  : Hệ số dẫn nhiệt, (W/mK) ω : Vận tốc, (m/s) η : Hiệu suất, (%) 17 hiệu suất tế bào tăng trình điện hóa giảm điện trở đủ khối lượng vật liệu phản ứng So sánh thay đổi kích thước pin nhiên liệu hình trịn hình Vng, SOFC trịn đạt mật độ cơng suất tế bào lớn 282 mW/cm2 650°C mật độ công suất tối đa tế bào điện áp 1.05V cịn SOFC chữ nhật có diện tích 25cm2 lớn nhiều so với SOFC tròn 2,54 cm2 mà điện áp 0,575 V mật độ công suất tế bào lớn 105 mW/cm2 Kết chủ yếu cho hiệu suất khơng đồng bề mặt điện cực Ngồi ra, hiệu suất thực tế tế bào phụ thuộc vào chất lượng chế tạo tế bào pin nhiên liệu 5.2 Kiến nghị Do hạn chế mặt thời gian nên liệu thực nghiệm chưa đủ để đánh giá toàn diện khả ứng dụng vào lĩnh vực kỹ thuật cụ thể Để đưa ứng dụng pin nhiên liệu vào sản xuất đại trà cần phải nghiên cứu nhiều yếu tố mà nghiên cứu chưa thể bao quát được, tác giả kiến nghị nghiên cứu sau cần làm rõ ảnh hưởng tốc độ dòng chảy áp suất hoạt động mơ hình, ngồi pin nhiên liệu SOFC ảnh hưởng nhiều đến hình dáng pin nhiên liệu mà nghiên cứu chưa làm rõ Ngoài nghiên cứu chưa thể so sánh ảnh hưởng hiệu xuất giảm kích thước pin nhiên liệu áp dụng dịng chảy kênh micro mơ hình phân bổ số lượng kênh micro pass, số pass ống, yếu tố lưu lượng tổn thất áp suất phía mơi chất bên kênh để làm tăng nhiệt độ đầu vào nhiên liệu, để cải thiện hiệu suất tế bào 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.N Celik, et al Bolu Abant Izzet Baysal University, Faculty of Engineering and Architecture, Dept of Mechanical Engineering and Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark, Risø Campus, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark Three-dimensional multiphysics model of a planar solid oxide fuel cell using computational fluid dynamics approach International Journal of Hydrogen Energy (2018) [2] Zuopeng Qu, et al P.V Aravind, S.Z Boksteen, N.J.J Dekker, A.H.H Janssen, N Woudstra, A.H.M Verkooijen Three-dimensional computational fluid dynamics modeling of anode-supported planar SOFC International Journal of Hydrogen Energy Volume 36, Issue 16, August 2011, Pages 10209-10220 [3] A Su1, Y.M Ferng, et al, C.B Wang1 and C.H Cheng Analytically investigating the characteristics of a hightemperature unitized regenerative solid oxide fuel cell INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH Int J Energy Res 2013; 37:1699–1708 [4] Ang Li, Ce Song, Zijing Lin, et al A multiphysics fully coupled modeling tool for the design and operation analysis of planar solid oxide fuel cell stacks Applied Energy 190 (2017) 1234–1244 [5] Ay Su1, Yuh-Ming Ferng, et al, and C B Wang Investigating parametric effects on performance of a high-temperature URSOFC INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH Int J Energy Res 2015; 39:648–660 99 [6] Wei Kong, Jiayu Li, Shixue Liu, Zijing Lin The influence of interconnect ribs on the performance of planar solid oxide fuel cell and formulae for optimal rib sizes Journal of Power Sources 204 (2012) 106–115 [7] Shixue Liu, Wei Kong , Zijing Lin Three-dimensional modeling of planar solid oxide fuel cells and the rib design optimization Journal of Power Sources 194 (2009) 854–863 [8] Shumao Zeng, Xiaoqiang Zhang, Jun Song Chen, Tingshuai Li, Martin Andersson, et al Modeling of solid oxide fuel cells with optimized interconnect designs International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 125, October 2018, Pages 506-514 [9] Marko Nerat, Ðani Juricic, et al A comprehensive 3-D modeling of a single planar solid oxide fuel cell International Journal of Hydrogen Energy (2015) [10] Julio Moreno-Blanco, Francisco Elizalde-Blancas, Jose M Riesco-Avila, Juan M Belman-Flores, Armando Gallegos-Munoz, et al On the effect of gas channelselectrode interface area on SOFCs performance International Journal of Hydrogen Energy (2018) [11] Shumao Zeng, Min Xu, Jeo Parbey, Guangsen Yu, Martin Andersson, Qiang Li, Baihai Li, Tingshuai Li, et al Thermal stress analysis of a planar anode-supported solid oxide fuel cell: Effects of anode porosity International Journal of Hydrogen Energy (2017) [12] Bariza Zitouni, Rocine Ben Moussa, et al Three-dimensional numerical study of SOFe temperature feld: Polarization heat source effect Slimane Saighi Department of mechanical Faculty of technology University Hadj Lakhder Batna 978-1-4673-63747/13/©2013 IEEE 100 [13]Ni M, Leung MKH, Leung DYC Theoretical analysis of reversible solid oxide fuel cell based on protonconducting electrolyte Journal of Power Sources 2008; 177:369–375 [14] Iora P, Chies P High efficiency process for the production of pure oxygen based on solid oxide fuel cell-solid oxide electrolyzer technology Journal of Power Sources 2009; 190:408–416 [15] Jin X, Xue X Mathematical modeling analysis of regenerative solid oxide fuel cells in switching mode conditions Journal of Power Sources 2010; 195:6652–6658 [16] Yoon KJ, Lee SI, An H, Kim J, Son JW, Lee JH, Je HJ, Lee HW, Kim BK Gas transport in hydrogen electrode of solid oxide regenerative fuel cells for power generation and hydrogen production International Journal of Energy Research 2014; 39:3868–3878 [17] Kazempoor P, Braun RJ Model validation and performance analysis of regenerative solid oxide cells for energy storage applications: Reversible operation International Journal of Energy Research 2014; 39:5955–5971 [18] Jiang SP, Love JG, Apateanu L Effect of contact between electrode and current collector on the performance of solid oxide fuel cells Solid State Ionics 2003;160:15-26 [19] Ji Y, Yuan K, Chung JN, Chen Y Effects of transport scale on heat/mass transfer and performance optimization for solid oxide fuel cells J Power Sources 2006;161:380-91 [20] Li P, Tao G, Liu H Effect of the geometries of current collectors on the power density in a solid oxide fuel cell Int J Energy Environ Eng 2011;2:1-11 101 [21] Khrystyna Yezerska, Anastasia Dushina, Fang Liu, Maren Rastedt, Peter Wagner, Alexander Dyck, Michael Wark, et al Characterization methodology for anode starvation in HT-PEM fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, 2019.05.114 [22] Virat Patel, Logan Battrell, Ryan Anderson, Ning Zhu, Lifeng Zhang Investigating effect of different gas diffusion layers on water droplet characteristics for proton exchange membrane (PEM) fuel cells International Journal of Hydrogen Energy, 2019.05.111 [23] Aydın O, Ochiai T, Nakajima H, Kitahara T, Ito K, Ogura Y, et al Mass transport limitation in inlet periphery of fuel cells: studied on a planar solid oxide fuel cell Int J Hydrogen Energy 2018;43(36):17420-30 [24] Nerat M, Juricic D A comprehensive 3-D modeling of a single planar solid oxide fuel cell Int J Hydrogen Energy 2016;41:3613-27 [25] Xu M, Li TS, Yang M, Andersson M, Fransson I, Larsson T, et al Modeling of an anode supported solid oxide fuel cell focusing on thermal stresses Int J Hydrogen Energy 2016;41:14927e40 [26] Yuan-wu Xua, Xiao-long Wua, Hang Youa, Tao Xuea, Dong-qi Zhaoa, Jian-hua Jianga, Zhong-hua Denga, Xiao-wei Fub, Li Xia, et al Modeling and simulation of temperature distribution for planar cross-flow solid oxide fuel cell Science Direct Energy Procedia 158 (2019) 1585–1590 [27] Guo-Bin Jung, Chang-Tsair Chang, Chia-Chen Yeh, Xuan-Vien Nguyen, Shih-Hung Chan, Cheng-You Lin, Jyun-Wei Yu, Win-Tai Lee, Shu-Wei Chang, I-Cheng Kao Study of reversible solid oxide fuel cell with different oxygen electrode materials Science Direct 2016 Hydrogen Energy Publications LLC 2016.07.190 [28] Xuan-Vien Nguyen, Chang-Tsair Chang, Guo-Bin Jung, Shih-Hung Chan, Win-Tai Lee, Shu-Wei Chang, I-Cheng Kao Study of sealants for SOFC Science Direct 2016 Hydrogen Energy Publications LLC 2016.07.156 102 [29] Xuan–Vien Nguyen, Guo–Bin Jung, Shih–Hung Chan, Chia–Chen Yeh, Jyun–Wei Yu Improvement on the design and fabrication of planar SOFCs with anode–supported cells based on modified button cells, To appear in Renewable Energy 2017.03.070 [30] Lê Thanh Long, Phạm Quang Trung Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa TP HCM nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống pin nhiên liện, hội nghị khcn toàn quốc khí - động lực, 2017, PP.274-281 [31] Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn, Phân viện Vật lý TP.HCM Kết nghiên cứu pin nhiên liệu pin sử dụng nhiên liệu cồn methanol thay cho nhiên liệu hydro, sở khoa học công nghệ tp-hcm trung tâm thông tin khoa học công nghệ, 2004, PP.1-5 [32] Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê Chế tạo màng chuyển hóa proton cho pin nhiên liệu Trung tâm Nghiên cứu Phát triển – Khu công nghệ cao TP.HCM, 2055, PP.36-49 [33] PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn – Phó Viện Trưởng – Viện Vật Lý Thành phố Hồ Chí Minh, nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu – triển vọng xu hướng nhiên liệu xanh, sở khoa học công nghệ tp-hcm trung tâm thông tin khoa học công nghệ 2012, PP.7-88 103 Study on the Operating Characteristics of Cell Electrodes in a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Through the Two-Dimensional Numerical Simulation Method XuanVien Nguyen1,2(&), PhamTrungKhanh Luong1, ThiNhung Tran3, MinhHung Doan1, AnQuoc Hoang1, and ThanhTrung Dang1 Department of Thermal Engineering, HCMC University of Technology and Education, 01 Vo van Ngan Street, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam viennx@hcmute.edu.vn Renewable Energy Research Center, HCMC University of Technology and Education, 01 Vo van Ngan Street, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam Department of Chemical Technology, HCMC University of Technology and Education, 01 Vo van Ngan Street, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam Abstract This study presents a two-dimensional model for planar anode supported cells in a solid oxide fuel cells (SOFCs) The model is implemented with planar cm  cm anode supported cells (with an active area of cm cm) The performance characteristics within each cell of the SOFC (cathode, anode, and electrolyte layer) are determined via the numerical simulation method This method is based on the fundamental conservation laws of continuity, momentum, energy, and mass The effects of the cathode, anode, and electrolyte layer thickness are investigated at different temperatures The results show the behavior of the potential, temperature field, and current distributions in the cell when certain parameters (anode thickness, cathode thickness, electrolyte thickness, and temperature in the channels) are varied The effects of varying the fuel inlet and air inlet conditions are also presented and discussed Keywords: Solid oxide fuel cell Á Porosity Á Curvature Á Electrode Introduction Solid oxide fuel cells (SOFC) are the energy sources of future industries and have been widely applied in automotive, transportation, and portable electronics because of their light weight and efficiency They are a promising alternative technology to traditional power sources The main advantages of power production using SOFCs are the cells’ high conversion efficiency, the absence of combustion, and fuel flexibility, which allows use of various fuels, including those derived from renewable sources [1–4] © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021 Y.-P Huang et al (Eds.): GTSD 2020, AISC 1284, pp 303–311, 2021 https://doi.org/10.1007/978-3-030-62324-1_26 304 X Nguyen et al Thus, research into the applications of solid oxide fuel cells (SOFCs) have become important and received much attention Kakac and Zhou [5] and Bove et al [6] performed comprehensive evaluations of the SOFC mathematical model Ni et al [7] proposed an electrochemical model to study fuel cell performance based on the protonconduction of reversible solid oxide fuel cell (RSOFC) from electrolytes The authors concluded that the model can be successfully applied via a hydrogen-electrode-support on the SOFC and a solid oxide steam electrolyzer Jin and Xue [8] developed a temporary two-dimensional mathematical model (2-D) for URSOFC This model was tested with the results of NiO-YSZ, YSZ, and LSM cells prepared under different operational temperatures Many simulation studies have also been performed on SOFCs [9–13] Moreover, Zeng et al [14] studied solid oxide fuel cells (SOFCs) using optimized models, and the results indicated that the current density and thermal stress are related The proximity of these elements in the model is related to both the shape of the connector and the depth of the cathode Nerat et al [15] provided the amplitude and position of the maximum temperature (Tmax) and maximum temperature slope (DT/Dxmax), as well as the model performance parameters This model supports the anodes of solid oxide fuel (SOFC) and was developed using the COMSOL Multiphysics software Iora et al [16] studied a onedimensional model for an SOFC–SOEC stack The results were compared with those obtained for an earlier simplified lumped volume model This paper studies the operating characteristics of cell electrodes in a solid oxide fuel cell (SOFC) using a two-dimensional numerical simulation method Due to the cell’s advantageously high temperature properties, hydrogen in the cell spreads through a porous hydrogen electrode and combines with the oxygen ions from the oxygen electrode to produce steam and then flows through the outer circuit to generate electricity On the other hand, the majority of this work’s simulations are devoted to developing a 2-D axisymmetric mathematical model of URSOFC characteristics, including the species distributions, the cell performance, and the temperature distributions The effects of different operating conditions with input temperatures of 600, 700, and 800°C on cell performance are also considered in this paper Mathematical Model A 2-dimensional symmetry model was adopted in the current investigation This model includes adjustment equations to simulate the exchange behaviors, charge, and temperature of the species, as well as the constitutive correlation to calculate the flow density In addition, a medium porous model is used to simulate the effective properties of porous electrodes that can be considered a rectangular flat sheet The effects of convection in the electrode are not, however, considered in the present model The species transport characteristics are then assumed to be caused by the dispersion in the electrode as a result of the slope of the concentration using the following diffusion equation [17–19]: Study on the Operating Characteristics of Cell Electrodes Àr Á  reff / DC/  A ẳ V 305 ! S/ 1ị eff  à where VA eff is the specific surface area, which is the electrochemical reaction active area per unit volume Deff / ẳ Deff m;/ ỵ !1 Deff K;/ ð2Þ where Deff / is an effective dispersion of porous electrodes and includes Knudsen diseff persion(Deff K;/ ) and molecular dispersion (Dm;/ ) and is evaluated by the following formula e Deff m;/ ẳ D/ s 3ị where Deff m;/ depends on the porosity (e) and tortuosity (s) of the electrodes Deff K;/ e ¼ dp 3s rffiffiffiffiffiffiffiffiffi 8RT pMi ð4Þ where Deff K;/ is the effective diffusivity in the porous electrode and consists of the Knudsen diffusion dp ¼ e dg 31À e ð5Þ Results and Discussion In the SOFC mode, oxygen at a standard flow rate of 400 ml.min−1 and H2 at a flow rate of 200 ml.m−1 were supplied to the electrode surface As shown in Fig 1, the measurement performance curve of the parameters was determined by simulation and showed good agreement between the measurement results and prediction results [7, 17, 20–22] In addition, the exchange current density of the electrode is considered to be a free parameter and is used to fit the measurement data to a cell voltage of 0.575 V This is done because of changes in the adjustable parameter values leading to prediction differences 306 X Nguyen et al Fig Voltage and current density in SOFC modes at T = 650 °C Fig Predicted distribution concentration of H2 mol in the hydrogen electrode for the SOFC, T = 650 °C, V = 0.19 V The cell performance decreases as the porosity increases This predicted result is similar to that obtained by Li et al [23] In their work, the cell overpotential increased by increasing the porosity resulting from reduced reaction active sites Figure shows the process of cell exchange in the hydrogen electrode The oxygen generated from the Study on the Operating Characteristics of Cell Electrodes 307 oxygen electrode passes through the YSZ electrolyte, arrives in the YSZ/Ni hydrogen electrode, and combines with hydrogen to produce steam and electrons In this region, the high concentration (red) gradually changes to a lower one (blue) Consequently, only a small amount of hydrogen can react beyond this interval The predicted distribution of the hydrogen concentration in the hydrogen electrode and SOFC was determined under a temperature of 650 °C and a cell voltage of 0.19 V The model is thus initially established for greater clarity, and most of the hydrogen is depleted at the interface of the electrolyte and the hydrogen electrode Since the size of the hydrogen electrode is larger than that of the oxygen electrode, most of the hydrogen is consumed in the central part of the hydrogen electrode The effect of electrolyte thickness on the cell exchange operations is small, as shown in Fig Fig Comparison of voltage and current density in the SOFC mode under different electrolyte thicknesses Figure shows the performance voltage and current density of the SOFC operating at the different operating temperatures of 650 °C, 750 °C, 800 °C, and 850 °C The corresponding comparison of the SOFC voltage and current density shows that the results of the forecast are in good agreement with the measured data As the temperature increases, the cell performance also increases as the temperature in the SOFC increases This occurs due to the increase of the ionic conductivity in the electrolyte and the increase of the electrochemical reaction in the electrode at higher temperatures The model predictions show the beneficial effect of temperature on cell performance 308 X Nguyen et al Fig Comparison of the voltage and current density in the SOFC mode under different temperatures A simulation was used to observe the activities while operating in the SOFC mode at 650 °C The SOFC cell productivity increased by increasing the edge of the H2 electrode, as clearly shown in Fig The predicted result shows that the effect of decreasing the flow resistance for a wider edge on cell performance outweighs the effect of decreasing electrochemical resistance Moreover, in the oxygen electrode, the cell performance is less significant for the O2 electrode than for the H2 electrode (as shown in Fig 6) because the SOFC is a hydrogen electrode support cell, and the thickness of the H2 electrode is 540 lm, which is significantly thicker than the 25 lm of the O2 electrode Based on the results of similar articles, for SOFC performance changes based on shape and size, a smaller edge is known to enhance the surface reaction within the electrode and consequently reduce electrochemical resistance [24] However, a smaller edge in the electrodes can also increase flow resistance due to the larger contact area between the gas and particles when the fuel passes through the porous electrodes [25] Study on the Operating Characteristics of Cell Electrodes 309 Fig Comparison of OCV in the SOFC mode under different hydrogen electrode thicknesses Fig Comparison of OCV in the SOFC mode under different oxygen electrode thicknesses 310 X Nguyen et al Conclusions A thorough 2D numerical simulation of electrodes was developed in this paper to study the applications of SOFCs, which are considered a promising next-generation energy source and storage device The SOFC was numerically investigated in this study to predict its parametric effects and cell performance The species concentration and temperature distributions also affect the performance of this model The predicted results show that the chemical reaction and mass transfer rates increase by increasing the temperature, which is clearly indicated by the chart voltage and current density in the SOFC In addition, the cell performance increases by increasing the electrode porosity, and the improvement in mass transfer exceeds the effect of the decrease in reaction sites for larger porosity values Several important conclusions were thus determined based on the simulation results of the SOFC Moreover, cell performance increases by increasing the diameters of the H2 electrode and the O2 electrode This simulation ultimately predicted that the effect of reducing the flow resistance for a larger size is reliant on the performance and applicability of the proposed 2-D axisymmetric model Acknowledgments This research was funded by the Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under grant number 107.03−2018.332 Conflicts of Interest The author declares no conflict of interest References Singhal, S.C.: Advances in solid oxide fuel cell technology Solid State Ionics 135(1–4), 305–313 (2000) Laguna-Bercero, M.A.: Recent advances in high temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: A review J Power Sources 203, 4–16 (2012) Choudhury, A., Chandra, H., Arora, A.: Application of solid oxide fuel cell technology for power generation-a review Renew Sustain Energy Rev 20, 430–442 (2013) Nguyen, X.V.: Fabrication and performance evaluation of six-cell two-dimensional configuration solid oxide fuel cell stack based on planar  cm anode-supported cells Energies 12(18), 3541–3549 (2019) Kakac, S., Pramuanjaroenkij, A., Zhou, X.Y.: A review of numerical modeling of solid oxide fuel cells Int J Hydrogen Energy 32(7), 761–786 (2006) Bove, R., Ubertini, S.: Modeling solid oxide fuel cell operation: approaches, techniques and results J Power Sources 159(1), 543–559 (2006) Ni, M., Leung, M.K.H., Leung, D.Y.C.: Theoretical analysis of reversible solid oxide fuel cell based on protonconducting electrolyte J Power Sources 177(2), 369–375 (2008) Jin, X., Xue, X.: Mathematical modeling analysis of regenerative solid oxide fuel cells in switching mode conditions J Power Sources 195(19), 6652–6658 (2010) Celik, A.N.: Three-dimensional multiphysics model of a planar solid oxide fuel cell using computational fluid dynamics approach Int J Hydrogen Energy 43(42), 19730–19748 (2018) Study on the Operating Characteristics of Cell Electrodes 311 10 Qu, Z., Aravind, P.V., Boksteen, S.Z., Dekker, N.J.J., Janssen, A.H.H., Woudstra, N., Verkooijen, A.H.M.: Three-dimensional computational fluid dynamics modeling of anodesupported planar SOFC Int J Hydrogen Energy 36(16), 10209–10220 (2011) 11 Li, A., Song, C., Lin, Z., et al.: A multiphysics fully coupled modeling tool for the design and operation analysis of planar solid oxide fuel cell stacks Appl Energy 190, 1234–1244 (2017) 12 Ay, S., Ferng, Y.-M., Wang, C.B.: Investigating parametric effects on performance of a hightemperature URSOFC Int J Energy Res 39(5), 648–660 (2015) 13 Kong, W., Li, J., Liu, S., Lin, Z.: The influence of interconnect ribs on the performance of planar solid oxide fuel cell and formulae for optimal rib sizes J Power Sources 204, 106– 115 (2012) 14 Zeng, S., Zhang, X., Chen, J.S., Li, T., Andersson, M., et al.: Modeling of solid oxide fuel cells with optimized interconnect designs Int J Heat Mass Transf 125, 506–514 (2018) 15 Nerat, M., Juricic, Ð.: A comprehensive 3-D modeling of a single planar solid oxide fuel cell Int J Hydrogen Energy 41(5), 3613–3627 (2016) 16 Iora, P., Taher, M.A.A., Chiesa, P., Brandon, N.P.: A one dimensional solid oxide electrolyzer-fuel cell stack model and its application to the analysis of a high efficiency system for oxygen production Chem Eng Sci 80, 293–305 (2012) 17 Jin, X.F., Xue, X.J.: Mathematical modeling analysis of regenerative solid oxide fuel cells in switching mode conditions J Power Sources 195, 6652–6658 (2010) 18 Suwanwarangkul, R., Croiset, E., Fowler, M.W., Douglas, P.L., Entchev, E., Douglas, M.A.: Performance comparison of Fick’s, Dusty-gas and Stefan-Maxwell models to predict the concentration overpotential of a SOFC anode J Power Sources 122, 9–18 (2003) 19 Andreassi, L., Rubeo, G., Ubertini, S., Piero, L., Roberto, B.: Experimental and numerical analysis of a radial flowsolid oxide fuel cell Int J Hydrogen Energy 32(17), 4559–4574 (2007) 20 Grondin, D., Deseure, J., Brisse, A., Zahid, M., Ozil, P.: Simulation of a high temperature electrolyzer J Appl Electrochem 40, 933–941 (2010) 21 Shi, Y., Cai, N.S., Li, C.: Numerical modeling of an anodesupported SOFC button cell considering anodic surface diffusion J Power Sources 164, 639–648 (2007) 22 Ay, S., Ferng, Y.M., Wang, C.B., Cheng, C.H.: Analytically investigating the characteristics of a high temperature unitized regenerative solid oxide fuel cell Int J Energy Res 37(13), 1699–1780 (2013) 23 Li, W.Y., Shi, Y.X., Luo, Y., Cai, N.S.: Theoretical modeling of air electrode operating in SOFC mode and SOEC mode: the effects of microstructure and thickness Int J Hydrogen Energy 39(25), 13738–13750 (2014) 24 Bae, J.W., Hong, S.W., Koo, B.G., An, J.H., Prinz, F.B., Kim, Y.B.: Influence of the grain size of samariadoped ceria cathodic interlayer for enhanced surface oxygen kinetics of lowtemperature solid oxide fuel cell J Eur Ceram Soc 34(15), 3763–3768 (2014) 25 Pham, A.T., Baba, T., Shudo, T.: Efficient hydrogen production from aqueous methanol in a PEM electrolyzer with porous metal flow field Influence of change in grain diameter and material of porous metal flow field Int J Hydrogen Energy 38(24), 9945–9953 (2013) ... tài ? ?Nghiên Cứu Các Đặc Tính Hoạt Động Của Các Điện Cực Trong Pin Nhiên Liệu Oxit Rắn (SOFC) Bằng Phương Pháp Mô Phỏng Số? ?? 18 1.2 Các nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Celik... ngồi 2.3.2 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 2.3.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hình Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu oxit rắn [33] Pin nhiên liệu oxit rắn sử dụng hợp chất oxit kim loại rắn (như... kết nghiên cứu Bảng 1 Tổng quan số nghiên cứu điển hình pin nhiên liệu Oxit rắn (SOFC) Tên Tác Tên nghiên cứu Số Loại giả TLTK SOFC Li Nghiên cứu [2] Vuông cộng trình điện hóa Pin nhiên liệu