دانلود رایگان ترجمه مقاله مطالعه عددی در مورد تنش های حرارتی از یک سلول سوختی اکسید جامد مسطح (نشریه الزویر 2014)

مطالعه عددی در مورد تنش های حرارتی از یک سلول سوختی اکسید جامد مسطح

Numerical study on thermal stresses of a planar solid oxide fuel cell

چکیده
1- مقدمه
2 – مدل ریاضی
2-1 – مدل هندسی
2-2 مدل الکتروشیمیایی
2-3- مدل سیال-حرارتی
2-4- مدل تنش حرارتی
3- نتایج و بررسی
3-1- تجزیه و تحلیل سیال-حرارتی
3-2- محاسبه تنش حرارتی
4- نتایج

چکیده

مدل المان محدود سه بعدی (3D) متشکل از الکترود منفی-الکترولیت-الکترود مثبت (PEN) و مونتاژ اتصال فلزی (MIC) با استفاده از نرم افزار تجاری المان محدود ABAQUS ساخته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در سلول سوختی اکسید جامد مسطح (SOFC) ، روش المان محدود، برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح استفاده می شود. اثرات مشخصات دمایی، الکترودها و ضخامت الکترولیت و ضرایب عدم تطابق انبساط حرارتی (CTE) بین مولفه ها مشخص می شوند. مقدار و توزیع تنش حرارتی، تابعی از مواد اعمال شده CTE، مشخصات درجه حرارت اعمال شده و ضخامت آند و الکترولیت می باشد. نتایج محاسبه شده را می توان به عنوان راهنمایی برای انتخاب مواد SOFC و طراحی ساختار SOFC استفاده نمود. آند تحت تنش های کششی زیادی قرار می گیرد و در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت، الکترولیت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. کاهش شیمیایی NIO به نیکل در آند متخلخل، تا 20 ٪ باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN می شود. تنش های کششی زیادی در آند و تنش های فشاری بزرگ در الکترولیت، زمانی که که SOFC در درجه حرارت بالا عمل می کند، تا حدی آرام می شود. زمانی که ساختار PEN پس از پخت در حال خنک شدن در دمای اتاق است، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شوند.

1- مقدمه
سلول های سوخت، کارآمد ترین دستگاه برای تبدیل الکتروشیمیایی انرژی شیمیایی هیدروژن به برق هستند و توجه فزاینده ای را در سال های اخیر برای سازگاری با محیط زیست بدون انتشار سمی یا انتشار سمی کم و تولید برق توزیع شده کارآمد به خود معطوف کرده اند. در سلول های سوختی موجود، سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) با هندسه یکپارچه، مسطح و لوله ای به عنوان یک سلول سوختی با دمای بالا، باعث عملکرد خوبی در تولید انرژی می شود و همچنان به عنوان یک منبع انرژی آینده، نویدبخش است. در طرح های پشته SOFC ، به تازگی طراحی نوع مسطح جلب توجه کرده است، به دلیل اینکه ساخت ساده تر نسبت به اشکال مختلف از طرح های نوع دیگر دارد. علاوه بر این، SOFC نوع مسطح، به دلیل مقاومت الکتریکی پایین به عنوان یک نتیجه از مسیر جریان کوتاه تر، چگالی انرژی بالاتری را نسبت به نوع SOFC لوله ای ارائه می دهد. درجه حرارت معمولی از یک سلول سوختی اکسید جامد 600 تا 1000 درجه است که منجر به تنش های شدید حرارتی و تاب برداشتن بر روی ساختارهای الکترود منفی-الکترولیت- الکترود مثبت ( PEN ) از SOFCs می شود که ناشی از عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی (CTE) از لایه های مختلف در ساختار PEN از SOFCs با توجه به تغییرات دما در طول فرآیند تولید PEN و چرخه حرارتی است. و اینها ممکن است به ترک و نابود شدن ساختار SOFC منجر شود.
4- نتایج
مدل الکتروشیمیایی قطبش کامل سه بعدی و مدل المان محدود تنش حرارتی سه بعدی برای SOFC مسطح در این مقاله استفاده شده است. واکنش اصلاح داخلی و واکنش جابجایی آب-گاز در شبیه سازی ها برای جریان همزمان و ضد جریان در نظر گرفته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در SOFC مسطح، تجزیه و تحلیل المان محدود برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح به کار گرفته شده است. اثرات دما، آند و ضخامت الکترولیت و ضریب عدم تطابق انبساط حرارتی بین مولفه ها مشخص و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
نتایج شبیه سازی سیال-حرارتی نشان داد که گرادیان دما در نزدیکی ورودی سوخت برای الگوی ضد جریان بسیار بزرگتر از الگوی جریان همزمان است. تنش حرارتی به طور عمده از عدم تطابق CTE بین مواد مختلف نشات می گیرد. آند تحت تنش کششی زیادی قرار می گیرد و الکترولیت در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. زمانی که ساختار PEN به دمای اتاق پس از پخت سرد می شود، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شود. کاهش شیمیایی از NIO به نیکل در آند متخلخل باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN به اندازه 20 درصد می شود در حالی که در زمان میانگین، این استحکام آند پایین تر نیز می آید. هنگامی که SOFC در دمای بالاتر کار می کند، تنش های کششی در آند و تنش های فشاری در الکترولیت تا حدودی آرام می شود.

Abstract

A three-dimensional (3D) finite element model consists of positive electrode–electrolyte–negative electrode (PEN) and metallic interconnect (MIC) assembly is constructed by using commercial finite element software Abaqus. With the simulated temperature profile in the planar solid oxide fuel cell (SOFC), the finite element method is employed to calculate the thermal stress distribution in a planar SOFC. The effects of temperature profile, electrodes and electrolyte thickness, and coefficients of thermal expansion (CTEs) mismatch between components are characterized. The value and distribution of thermal stress are the functions of the applied materials CTEs, applied temperature profiles and thickness of anode and electrolyte. The calculated results can be applied as the guide for SOFC materials selection and SOFC structure design. The anode is subjected to large tensile stresses and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20%. The large tensile stresses in the anode and the large compressive stresses in the electrolyte relax partly when the SOFC operates at high temperature. Cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooling to room temperature after the sintering.

1- Introduction

Fuel cells are the most efficient devices for the electrochemical conversion of chemical energy of hydrogen into electricity, and have been gaining increasing attention in recent years for environmentally friendly with little or no toxic emission and efficient distributed power generation. In the existing fuel cells, the solid oxide fuel cell (SOFC) with monolithic, planar and tubular geometries, as a high temperature fuel cell, makes a good performance in power generation and continues to show great promise as a future power source. In SOFC stack designs, the planar type design has received much attention recently, because it is simpler to fabricate and easier to be made into various shapes than the other type designs. Besides, the planar type SOFC offers higher power density relative to the tubular type SOFC due to the low electrical resistance as a result of the shorter current paths. A typical operating temperature of a solid oxide fuel cell is 600
Ce1000
C, which leads to severe thermal stresses and warpage on the positive electrodee electrolyteenegative electrode (PEN) structures of SOFCs caused by the mismatch of the coefficients of thermal expansion (CTEs) of various layers in the PEN structures of SOFCs due to the temperature changes during the PEN manufacturing process and thermal cycling. And these may lead to cracks and destroy the SOFC structure.

4- Conclusions

A 3D complete polarization electrochemical model and a thermal stress finite-element model for a planar SOFC are employed in this paper. The internal reforming reaction and water-gas shift reaction are taken into account in the simulations for both co-flow and counter-flow. With the simulated temperature profile in the planar SOFC, the finite-element analysis is employed to calculate the thermal stress distribution in the planar SOFC. The effects of temperature profile, anode and electrolyte thicknesses and coefficients of thermal expansion mismatch between components are characterized and analyzed.

The thermo-fluid simulation results indicated that the temperature gradient near the fuel inlet for counter-flow pattern is much larger than that of co-flow pattern. The thermal stress is mainly contributed by the reason of CTE mismatches between different materials. The anode is subjected to large tensile stress and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooled to room temperature after the sintering. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20% while in the mean time the strength of the anode becomes lower too. When the SOFC works at a high temperature, the tensile stresses in the anode and the compressive stresses in the electrolyte relax partly.