Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) to urządzenia elektrochemiczne, które mogą przekształcać potencjał chemiczny paliw bezpośrednio w energię elektryczną. Pracując  w kogeneracji wykorzystywane są jako źródła zasilania gospodarstw domowych w energię elektryczną i ciepło. Ponadto trwają prace nad zastosowaniem tego rodzaju ogniw jako źródła zasilania silników elektrycznych w transporcie (statki, pociągi, samochody ciężarowe). 

 

Ogniwa te mają najwyższy współczynnik konwersji energii wśród wszystkich typów ogniw paliwowych. Barierą hamującą rozwój tej technologii jest brak infrastruktury dystrybuującej wodór, który jest głównym składnikiem paliwa zasilającego ogniwo. Problem ten może rozwiązać zastosowanie wewnętrznego reformingu bezpośredniego w mikrostrukturze ogniwa SOFC.

Zapraszamy do zapoznania się z artykułem Piotra Raczkowskiego, którego praca magisterska zwyciężyła w organizowanym przez Politechnikę Śląską “Ogólnopolskim konkursie na najlepszą pracę magisterską dotyczącą zastosowania metod obliczeniowych do symulacji procesów cieplno-przepływowych”. Tytuł pracy brzmi:

Analiza ogniwa paliwowego typu SOFC pracującego w warunkach wewnętrznego reformingu bezpośredniego

Wewnętrzny reforming bezpośredni SOFC

Jedną z zalet ceramicznych ogniw paliwowych jest możliwość konwersji nie tylko wodoru, ale również tlenku węgla jako paliwa. Mieszaninę tlenku węgla i wodoru można otrzymać z metanu w drodze reakcji reformingu parowego. W procesie tym mieszanina pary wodnej i metanu reaguje w obecności katalizatora dając gaz syntezowy, którego głównymi składnikami są wodór i tlenek węgla (Rys.2). W przeciwieństwie do reakcji elektrodowych, proces parowego reformingu metanu jest silnie endotermiczny.

Przeprowadzenie powyższych procesów równolegle na anodzie jest więc termodynamicznie uzasadnione. Jednakże bezpośrednie reformowanie stwarza ryzyko występowania znaczących naprężeń termicznych oraz osadzania się depozytu węglowego wewnątrz mikrostruktury. Dlatego aby zastosować bezpośredni reforming w praktyce potrzebne jest lepsze zrozumienie zjawisk fizycznych w ogniwie paliwowym typu SOFC działającym w warunkach reformingu bezpośredniego. Możemy to osiągnąć poprzez opracowanie odpowiedniego modelu matematycznego który pomoże nam wyznaczyć optymalne warunki pracy dla tego typu ogniw.

Model matematyczny

W przeprowadzonych badaniach opracowano zorientowany na mikrostrukturę model matematyczny opisu zjawisk transportu, reakcji chemicznych i elektrochemicznych w ogniwie paliwowym ze stałym tlenkiem. Ze względu na złożoność zjawiska, podczas modelowania reformingu bezpośredniego w mikrostrukturze SOFC napotykamy wiele przeszkód. Między innymi jest to trudność w oszacowaniu grubości obszaru zachodzenia reformingu na anodzie, co uniemożliwia prawidłowe oszacowanie polaryzacji koncentracyjnej elektrody ujemnej.

Ponadto pojawienia się artefaktów numerycznych takich jak niezgodność bilansu ładunków na obu elektrodach. Przedstawiony w pracy model matematyczny i numeryczny rozwiązują wyżej wymienione problemy.

W pracy zaproponowano niestandardowy proces obierania domeny obliczeniowej do modelowania zagadnienia reformingu bezpośredniego w którym to poszczególne warstwy fizyczne ogniwa traktowane są jako oddzielne poddomeny obliczeniowe. Zapewnia to precyzyjne bilansowanie masy i ładunku na interfejsach domen za pomocą odpowiednio dobranych warunków brzegowych (Rys.3). Dzięki takiemu podejściu możliwe było zaimplementowanie algorytmu do wyznaczania grubości warstwy aktywnej chemicznie na anodzie. Jest ona elementem rozwiązania dzięki czemu pozwala precyzyjnie wyznaczyć straty koncentracyjne na elektrodzie ujemnej. Dotychczas warstwa ta była dobierana arbitralnie.

Rezultaty

Połączona analiza numeryczna i eksperymentalna umożliwia lepsze zrozumienie złożonego zjawiska bezpośredniego reformingu. Dlatego zaproponowane modele matematyczny i numeryczny zostały zweryfikowane przez porównanie obliczonych charakterystyk prądowo-napięciowych z wynikami eksperymentalnymi (Rys.4). Uzyskane wyniki symulacji numerycznej wskazują, że proponowany model przybliża zachowanie ogniwa i można go wykorzystać do dalszej analizy. Na rysunku 5 został przedstawiony rozkład potencjału elektrycznego oraz gęstości prądów wymiany wzdłuż ogniwa, który potwierdza spójność modelu, oraz zgodność bilansu ładunku na elektrodach.

Podsumowanie

Proponowaną symulację można wykorzystać do badań parametrycznych zachowania ogniwa SOFC podczas zasilania metanem, celem optymalizacji parametrów pracy, jak również do projektowania zorientowanych na mikrostrukturę ogniw tego typu. Rozwinięcie opisywanego modelu do wieloskalowego modelu całego stosu ogniw mogłoby posłużyć do zaprogramowania układu sterującego ogniwem paliwowym typu SOFC pracującym w warunkach reformingu bezpośredniego, co znacząco zwiększyłoby konkurencyjność tej technologii.

Autor pracy

mgr inż. Piotr Franciszek Raczkowski

Promotorzy: prof. dr hab. inż. Janusz Szmyd; dr hab. inż. Grzegorz Brus, prof. AGH

Prezentowana praca magisterska realizowana była w ramach programu First Team Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, numer projektu First Team/2016-⅓.

Praca została wykonana z wykorzystaniem infrastruktury PL-GRID, Klaster Obliczeniowy Prometheus.