An experimental analysis of the flow structure in various configurations of a circular-planar SOFC fuel channel

• Autorzy: Nowak R. , Szmyd J. S.

Warianty tytułu

PL

Analiza eksperymentalna struktury przepływu gazu w zróżnicowanychprzepływu gazu w zróżnicowanych geometriach kanału paliwowego ogniwa paliwowego typu SOFC

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the presented paper, the authors focus on the analysis of flow structure in various configurations of a circular-planar SOFC fuel channel. The research was carried out on the premise that a proper channel design would help minimize the thermal stress in the cell, which is affected by the heat generated and consumed by the reforming, water gas-shift and hydrogen consumption reactions. For the measurement process, PIV method was used to calculate the velocity fields, and an extensive error analysis was done to evaluate the accuracy of the calculated velocities.

PL

W zaprezentowanym artykule, tematem realizowanych badań jest analiza eksperymentalna struktury przepływu gazu w trzech modelach kanałów transportowych ogniwa paliwowego typu SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Celem badań było zaproponowanie geometrii kanału, która pozwoliłaby utrzymać jednorodny rozkład pola prędkości na powierzchniach elektrod w rzeczywistych warunkach pracy ogniwa. Dobór odpowiedniej geometrii kanałów transportowych jest istotny z punktu widzenia wydajności oraz bezpieczeństwa pracy ogniwa, ponieważ bezpośrednio wpływa na wydajność reakcji elektrochemicznych zachodzących w ogniwie oraz na rozkład temperatury w jego wnętrzu, uwarunkowany silnie egzotermicznymi reakcjami elektrodowymi oraz w przypadku wykorzystania paliwa węglowodorowego dodatkową, endotermiczną reakcją reformingu i egzotermiczną reakcją tlenku węgla z parą wodną. Na potrzeby eksperymentu zaprojektowano oraz wykonano z pleksi trzy przykładowe geometrie kanałów przepływowych. Badania eksperymentalne przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Gazem wykorzystanym w badaniach było powietrze. Bazując na teorii podobieństwa ustalono wartości liczby Reynoldsa na poziomie odpowiadającym wielkościomliteraturowym, dzięki czemu otrzymane wyniki można traktować jako wiarygodne i oddające charakter przepływu paliwa w rzeczywistym ogniwie paliwowym. Profile prędkości wyznaczono wykorzystując bezinwazyjną metodę Particle Image Velocimetry. Ponadto, na podstawie analizy błędów określono zestaw parametrów obliczeniowych, dla których wyznaczone pole wektorowe charakteryzowało się największą dokładnością.

Słowa kluczowe

EN

particle image velocimetry; error analysis; flow distribution; SOFC

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 49 nr 2
• Strony: 541--564
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nowak R.

autor

Szmyd J. S.

• AGH-University of Science and Technology, Faculty of Energy and Fuels, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Anandarajah K., Hargrave G.K., Halliwell N.A., 2006, Digital image velocimetry: Partial Image Error (PIE), Journal of Physics: Conference Series, 45, 174-185
• 2. Atkinson A., Sun B., 2007, Residual stress and thermal cycling of planar solid oxide fuel cells, Materials Science and Technology, 23, 1135-1142
• 3. Bedogni S., Campanari S., Iora P., Montelatici L., Silva P., 2007, Experimental analysis and modeling for a circular-planar typr IT-SOFC, Journal of Power Sources, 171, 617-625
• 4. Hart D.P., 2000, PIV error correction, Experiments in fluids, 21, 13-22
• 5. Ho T.X., Kosinski P., Hoffmann A.C., Vik A., 2008, Numerical study of an SOFC with direct internal reforming using charge diffusion-based model, Proceeding of the 8th European SOFC Forum Lucerne, 1-13
• 6. Huang H., Dabiri D., Gharib M., 1997, On errors of digital particle image velocimetry, Meas. Sci. Technol., 8, 1427-1440
• 7. Xue X., Tang J., Sammes N., Du Y., 2005, Dynamic modeling of single tubular SOFC combining heat/mass transfer and electrochemical reaction effects, Journal of Power Sources, 142, 11-222
• 8. Keane R.D., Adrian R.J., 1992, Theory of cross-correlation analysis of PIV images, Applied Sientific Research, 49, 191-215
• 9. Laurencin J., Morel B., Bultel Y., Lefebvre-Joud F., 2006, Thermomechanical model of solid oxide fuel cell fed with methane, Fuel Cells, 6, 64-70
• 10. Lewis J.P., 1995, Fast template matching, Vision Interface, 163-165
• 11. McKenna S.P., McGillis W.R., 2002, Performance of digital image velocimetry processing techniques, Experiments in Fluids, 32, 106-115
• 12. Melling A., 1997, Tracer particles and seeding for particle image velocimetry, Measurement Science and Technology, 8, 1407-1416
• 13. Meunier P., Leweke T., 2003, Analysis and treatment of errors due to high velocity gradients in particle image velocimetry, Experiments in Fluids, 35, 408-421
• 14. Raffel M., Willert C., 2007, Particle Image Velocimetry: Practical Guide, Springer Verlag, Berlin Heidelberg
• 15. Singhal S.C., Kendall K., 2006, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, Elsevier, Amsterdam
• 16. Westerweel J., 1994, Efficient detection of spurious vectors in particle image velocimetry data, Experiments in Fluids, 16, 236-247
• 17. Westerweel J., 1997, Fundamentals of digital particle image velocimetry, Measurement Science and Technology, 8, 1379-1392
• 18. Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., 2000, Wymiana ciepła, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa