مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل عملکرد پیل سوختی اکسید جامد تک محفظه‏ ای از نوع هم‏صفحه‏ ای با مخلوط متان-اکسیژن-نیتروژن تخت شرایط پایا

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی خواجه نصیالدین طوسی
2 استاد/دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
در مطالعه حاضر عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد تک‏محفظه‏ای از نوع هم‏صفحه‏ای با مخلوط متان-اکسیژن-نیتروژن تحت شرایط پایا بصورت عددی بررسی می‌شود. هندسه پیل دو بعدی در نظر گرفته می‏شود و ناحیه محاسباتی از محفظه گازی، الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت تشکیل می‏شود. مخلوط اکسیژن-متان-نیتروژن به ترتیب با کسر جرمی اولیه 7./0، 14/0 و 77/0 به سمت پیل تغذیه می‏شود. تمامی خواص فیزیکی تابع دما درنظر گرفته می‏شود. معادلات غیرخطی کاملاً کوپل شده حاکم شامل معادلات بقاء جرم، اندازه حرکت، گونه شیمیایی و بار الکترونی و یونی می‏باشد که در یک نرم‏افزار تجارتی فرمول‏بندی شده و با استفاده از روش المان محدود حل می‏شوند. جهت نشان دادن صحت مدل، نتایج حاصل از مدل با نتایج یک مدل عددی مشابه مقایسه می‏گردد. در پایان تحلیل عملکرد پیل شامل توزیع سرعت، دما و غلظت تمامی گونه‏های گازی مورد بحث قرار می‏گیرد. نتایج نشان می‏دهد که ماکزیمم دما در سمت الکترود آند اتفاق می‏افتد که دلیل آن واکنش اکسایش متان است که به شدت گرماده می‏باشد. این مقدار افزایش دما ایجاده شده در پیل مزیتی می‏باشد تا دمای کاری پیل پایین‏تر آید. بعلاوه، نشان داده می‏شود که بخش زیادی از هیدروژن به صورت مصرف نشده از محفظه خارج می‏شود که یکی از عوامل اصلی کاهش عملکرد در این نوع از پیل می‏باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Performance analysis of coplanar single chamber solid oxide fuel cell with oxygen-methane-nitrogen mixture under steady state conditions

نویسندگان English

Majid Kamvar 1
Majid Ghassemi 2
چکیده English

In this study, performance of a coplanar single chamber solid oxide fuel cell with oxygen-methane-nitrogen under steady state conditions is investigated. The cell geometry is considered two dimensional and the computational domain is consists of gas chamber, anode electrode, cathode electrode and electrolyte. Oxygen-methane-nitrogen mixture is fed to the cell with initial mass fraction of 0.07, 0.14 and 0.77 respectively. All physical properties are considered as temperature dependent. The fully coupled nonlinear governing equations including mass, momentum, species and charge conservation equations are formulated in commercial software and solved using finite elements method. To show the model accuracy, the current model results are compared with a similar numerical model. Finally, the cell performance analysis including velocity, temperature and concentration of all species is discussed. The results show that the maximum temperature is occurred at anode side. This is due to methane oxidation reaction which is extremely exothermic. This temperature growth is an advantage for the cell to be able to reduce its working temperature. Furthermore, it is shown that a large amount of hydrogen leaves the chamber without any use. This is the main reason of low performance occurred in this type of cell.

کلیدواژه‌ها English

Solid oxide fuel cell
Single chamber
Methane
finite element method