Three-dimensional modelling of thermal stresses in a planar solid oxide fuel cell of a novel design

• Autorzy: Zinko T. , Pianko-Oprych P. , Jaworski Z.

Identyfikatory

DOI

10.5604/20830157.1194293

Warianty tytułu

PL

Modelowanie 3D termicznych naprężeń w płaskim stałotlenkowym ogniwie paliwowym o nowatorskiej konstrukcji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented modelling investigation was carried out to analyze thermal stresses and expansion in an anode supported planar Solid Oxide Fuel Cell (pSOFC). The temperature distribution was based on previously developed thermo-electrochemical model predicting fuel cell operation. The design of a single pSOFC consisted of three ceramic layers of membrane electrode assembly: anode, electrolyte, cathode and two cross-flow bipolar plates with 26 ribs. The gases flowed diagonally from one cell corner to the opposite one. The fuel and air flows were cross-wise opposed on each bipolar plate side. The study allowed to indicate the most vulnerable to thermal damage area of the fuel cell in the operating conditions. The results will be useful in further design modification and performance optimization of the SOFC.

PL

Przeprowadzone symulacje numeryczne miały na celu analizę termicznych naprężeń i ocenę stopnia wydłużenia płaskiego stałotlenkowego ogniwa paliwowego typu pSOFC (ang. planar Solid Oxide Fuel Cell). Rozkład temperatury w ogniwie wyznaczono w oparciu o wcześniej opracowany model termiczno-elektrochemiczny [11]. Nowatorskie rozwiązanie ogniwa typu pSOFC objęło ceramiczną konstrukcję, w skład której weszły porowate elektrody – anoda i katoda, elektrolit oraz dwie płytki bipolarne z 26-cioma żebrami. Przepływ paliwa i powietrza odbywał się krzyżowo i przeciwprądowo, po przekątnej ogniwa. Wyniki symulacji pozwoliły na określenie obszarów ogniwa narażonych na uszkodzenie w wyniku wysokich wartości naprężeń termicznych. Uzyskane rezultaty FEM umożliwią dalszą modyfikację konstrukcji płaskiego ogniwa w celu optymalizacji wydajności pSOFC.

Słowa kluczowe

EN

planar Solid Oxide Fuel Cell; thermal stresses; residual stresses; finite element method; computational fluid dynamics CFD

PL

płaskie stałotlenkowe ogniwo paliwowe; naprężenie termiczne; naprężenie szczątkowe; metoda elementów skończonych; numeryczna mechanika płynów

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 1
• Strony: 69--72
• Opis fizyczny: Bibliogr 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Zinko T.

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Chemical Technology and Engineering, Institute of Chemical Engineering and Environmental Protection Processes

autor

Pianko-Oprych P.

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Chemical Technology and Engineering, Institute of Chemical Engineering and Environmental Protection Processes

autor

Jaworski Z.

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Chemical Technology and Engineering, Institute of Chemical Engineering and Environmental Protection Processes

Bibliografia

• [1] Bossel U.: Rapid startup SOFC modules, Energy Procedia, 28, 2012, 48–56.
• [2] Brochure of Anderman Industrial Ceramics Ltd. Zirconia Yttria Stabilised, 2014.
• [3] Brochure of ThyssenKrupp VDM, Crofer 22 APU, Material Data Sheet No. 4046, May 2010.
• [4] Cui D., Cheng M.: Thermal stresses modeling of anode supported micro-tubular solid oxide fuel cell, Journal of Power Sources, 192, 2009, 400–407.
• [5] Delette G. et al.: Thermo-elastic properties of SOFC/SOEC electrode materials determined from three-dimensional microstructural reconstructions, International Journal of Hydrogen Energy, 38, 2013, 12379–12391.
• [6] Laurencin J. et al.: A numerical tool to estimate SOFC mechanical degradation: Case of the planar cell configuration, Journal of the European Ceramic Society, 28, 2008, 1857–1869.
• [7] Li J., Lin Z.: Effects of electrode composition on the electrochemical performance and mechanical property of mico-tubular solid oxide fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 37, 2012, 12925–12940.
• [8] Lin Ch.K., Chen T.T., Chyou Y.P., Chiang L.K.: Thermal stress analysis of a planar SOFC stack, Journal of Power Sources, 164, 2007, 238–251.
• [9] Nakajo A. et al.: Modeling of thermal stresses and probability of survival of tubular SOFC, Journal of Power Sources, 158, 2006, 287–294.
• [10] Peksen M.: 3D transient multiphysics modelling of a complete high temperature fuel cell system using coupled CFD and FEM, International Journal of Hydrogen Energy, 39, 2014, 5137–5147.
• [11] Pianko-Oprych P., Zinko T., Jaworski Z.: Simulation of the steady-state behaviour of a new design of a single planar Solid Oxide, Polish Journal of Chemical Technology, 2016, 18, 1, [DOI: 10.1515/pjct-2016-0011].
• [12] Singhal S.C., Kendall K.: High temperature solid oxide fuel cells: fundamentals, design and applications, Elsevier Science, 2003.
• [13] Qu Z., Aravind P.V., et al.: Three-dimensional computational fluid dynamics modeling of anode-supported planar SOFC, International Journal of Hydrogen Energy, 36, 2011, 10209–10220.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.