شبيه سازي سه بعدي اثر هندسه و توزيع دما بر عملكرد پيل سوختي اكسيد جامد

3D Simulation of Effect of Geometry and Temperature Distribution on SOFC Performance

رشد سريع جمعيت، نياز به منابع تجديد پذير انرژي را افزايش خواهد داد. از طرفي وسعت آلودگي ناشي از سوخت‌هاي فسيلي، زندگي در كره خاكي را دچار مشكل ساخته است. به هر ترتيب ضرورت انتخاب جايگزين مناسب، ارزان قيمت و تميز براي سوخت‌هاي فسيلي آشكار است. از جمله انرژي‌ مطرح، انرژي الكتريكي توليد شده به وسيله پيل‌هاي سوختي است كه به دليل بازدهي بالا، عدم آلايندگي محيط زيست و نيز مصرف هيدروژن به عنوان سوخت، در حال حاضر راه حل مناسبي مي‌باشند. در اين پژوهش پيل سوختي اكسيد جامد با دو هندسه متفاوت به‌صورت سه بعدي شبيه‌سازي شده است. معادلات حاكم بر عملكرد پيل سوختي شامل الكتروشيميايي، مومنتم، انتقال جرم و انرژي به‌صورت كوپل شده با استفاده از يك كد المان محدود تعريف، حل و بررسي شده‌اند. نتايج نشان داد كه هندسه لوله‌اي با مشخصه‌هاي يكسان هندسه‌اي و مكانيكي داراي عملكرد بهتري نسبت به مدل صفحه‌اي مي‌باشد. نشان داده شد حل معادله انرژي و توزيع غير يكنواخت دما باعث كاهش چگالي توان پيل سوختي تا حدود %7 مي‌گردد. همچنين مشخص شد تغييرات فشار كاتدي بر عملكرد پيل سوختي اثر بيشتري نسبت به فشار آندي دارند. در پايان نتايج نشان داد افزايش ضخامت آند اثر قابل توجهي نسبت به افزايش ضخامت ساير اجزاي پيل سوختي بر عملكرد آن دارد.

rapid population growth will increase the need for renewable energy resources. On the other hand, the extent of pollution from fossil fuels has made life on Earth difficult. However, the need to choose a suitable, cheap and clean alternative to fossil fuels is obvious. One of the proposed energy sources is electrical energy generated by fuel cells, which are currently a suitable solution due to high efficiency, non-pollution of the environment and the use of hydrogen as fuel. In this research, a solid oxide fuel cell with two different geometries is simulated in three dimensions. The equations governing the performance of the fuel cell, including electrochemical, momentum, mass transfer, and energy, are coupled using a finite element code defined, solved, and investigated. The results showed that the tubular geometry with the same dimensions and mechanical characteristics has a better performance than the planar type. It was shown that solving the energy equation and non-uniform temperature distribution reduces the power density of the fuel cell by about 7%. It was also found that cathodic pressure changes have a greater effect on fuel cell performance than anodic pressure changes. In the end, the results showed that increasing the thickness of the anode has a significant effect on increasing its performance compared to increasing the thickness of other fuel cell components.