شبيه‌سازي امپدانس غلظت سوخت پيل سوختي اكسيد جامد صفحه‌اي

Fuel concentration impedance simulation of a planar solid oxide fuel cell

در اين مقاله يك مدل گذرا براي آند پيل هاي سوختي اكسيد جامد ارايه شده است كه علاوه بر عملكرد پايا و رفتار گذراي آنها، طيف امپدانس الكتروشيميايي را نيز شبيه‌سازي مي كند. مدل ارايه شده انتقال جرم را با فرايند الكتروشيميايي كوپل مي كند. از معادلاتبقاي ناوير- استوكس و بقاي اجزا به صورت يك بعدي براي مدل‌سازي انتقال گاز در كانال آند استفاده شده و براي مدل‌سازي فرايند الكتروشيميايي از معادله خطي استفاده شده است. جهت مدل‌سازي امپدانس الكتروشيميايي به مجموعه معادلات گذراي مذكور تحريك سينوسي اعمال شده و پاسخ سيستم جهت محاسبه امپدانس استفاده شده است. به منظور حل مجموعه معادلات به دست آمده، يك كد عددي بر پايه روش حجم محدود توسعه يافته است. نتايجبه دست آمده نشان مي دهند كه انتقال جرم در كانال آند منجر به ايجاد يك نيم دايره خازني فركانس پايين در نمودار نايكوييستمي شود.همچنين تاثير پارامترهاي مختلف مانند افت ولتاژ، دما، سرعت و غلظت هيدروژن ورودي بر انتقال جرمو طيف امپدانس حاصل از آن بررسي شده و بر روي نتايج حاصله بحث شده است. نتايج شبيه سازي تطابق خوبي با نتايج منتشر شده دارند.

This paper presents a transient model for planar solid oxide fuel cells anode, which allows the simulation of steady-state performance characteristics, transient operation behavior, as well as electrochemical impedance spectra. The developed model couples the mass transport with electrochemical kinetics. The 1D Navier-Stokes conservation equations and species conservation equations are used for gas transport in the anode channel, and the linear kinetic is used for the anode electrochemistry. In order to model the electrochemical impedance, a sinusoidal excitation is imposed to system of transient equations and the obtained harmonic response is used as a base for electrochemical impedance spectra simulation. In order to solve the system of the nonlinear equations, a numerical code based on finite volume method is developed and utilized. Results show that the mass transfer in channel leads to a low frequency capacitive semicircle in the Nyquist plot. Moreover, the influence of parameters such as overvoltage, temperature, velocity and hydrogen inlet concentration on the electrochemical impedance has also been studied and the results are discussed. The simulation results are in good agreement with published data.