Development and Applications of an Electrochemical Effectiveness Model for Solid Oxide Fuel Cells

Abstract

중온형 고체 산화물 연료전지는 고온형에 비하여 비교적 낮은 600~800도의 작동 온도를 가지므로 보다 저렴한 재료를 통하여 장기적인 작동시간에도 안정적으로 사용할 수 있어 주목받고 있다. 최근 사용되는 중온 평판형 고체산화물 연료전지는 두께가 매우 얇지만 대부분의 화학반응이 일어나는 기능층을 포함하고 있다. 따라서 연료전지의 성능을 정확하게 예측하기 위해서는 이 기능층에서의 화학반응을 정밀하면서도 빠르게 해석할 수 있는 수치 모델이 필요하다. 기존의 연료전지 수치 모델들은 많은 가정과 실험값을 이용하여 단순하게 해석하거나 마이크로 모델과 같이 정확하지만 너무 많은 계산시간을 요구하였다. 따라서 이 논문에서는 유효도 개념을 통하여 새로운 수치 모델을 제시하고 검증하였다. 그리고 이 모델을 이용하여 양극에서 유로 횡방향 산소농도 분포에 미치는 요소들을 변화하면서 산소농도 고갈로 인한 성능 저하에 대해서 조사하였다. 먼저 유효도 개념을 이용하여 기존과 다른 전극 유효도 모델을 제안하였다. 기능층은 그 두께가 매우 얇아 작동 조건이 변하지 않는다고 가정하고, 전기화학반응을 위하여 대칭 Butler-Volmer 식을 이용하였다. 기존의 전극 유효도 모델은 과전압과 전류 밀도를 선형 관계로 가정하였기 때문에 낮은 작동 전류에서만 적용이 가능하였지만 이 논문에서 제시한 모델은 충분히 높은 작동전압에서도 정확한 결과를 보여준다. 여러 Thiele modulus 값에 대해 계산한 유효도를 통하여 간단한 상관식으로 나타내었다. 그리고 기존의 정밀한 마이크로 모델 결과와 비교하여 검증하였다. 다음은 위에서 제시한 전극 유효도 모델을 이용하여 기존의 중온형 고체산화물 연료전지 마이크로 시뮬레이션 모델을 수정하여 개발하였다. 연료전지의 성능 예측을 위해서는 전기화학반응에 의한 전류 생산량을 정확하게 계산하는 것이 중요하다. 이는 위에서 검증된 전극 유효도 모델을 이용하면 충분히 정확한 계산을 얻을 수 있으므로 기존의 마이크로 모델과 같이 매우 얇은 두께의 기능층에 수십 개의 격자를 둘 필요가 없다. 새로 제시한 모델의 신뢰도를 검증하기 위해 포괄적인 마이크로 모델과 전류-전압 성능 곡선을 비교하였다. 새로 제시한 모델은 충분히 정확한 결과를 보여줄 뿐 아니라, 계산시간을 획기적으로 줄었음을 확인할 수 있다. 따라서 대형 시스템이나 연료전지 스택 해석에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로 논문에서 제시한 유효도를 통한 마이크로 시뮬레이션 모델을 이용하여 양극에서의 유로 횡방향 산소 농도 및 전류밀도 분포를 계산하였다. 먼저 많은 계산에 앞서 격자 수를 최적화 하는 수치해석 연구를 진행하였다. 또한, 매개변수 및 작동 조건을 변화시키면서 양극에서의 산소 고갈 특성을 고찰하고 성능에 미치는 영향에 대해 서술하였다.

The intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) are the promising fuel cell systems which use less expensive materials with better long-term stabilities because of lower operating temperatures ranging from 600~800C than those of high temperature SOFCs (HT-SOFCs). Modern IT-SOFCs contain a very thin layer, called the functional layer, where dedicated reaction occurs. Thus, it is essential to efficiently and accurately model the electrochemical reaction in the functional layer for successfully predicting the performance and operation of IT-SOFCs. Some existing models are simple because of many assumptions and experimental values, on the contrary, some models are accurate but need expensive computational costs like micro SOFC models. Therefore, this dissertation proposes and validates a new numerical model based on effectiveness concept. In addition, this model is utilized to investigate degradation of performance due to oxygen depletion in cathodes through changes of parameters which affect oxygen distribution transverse to the flow channel. At first, a new electrode effectiveness model based on the effectiveness concept is presented which is different from existing effectiveness model. Variations in the operating conditions are negligible inside the functional layer and the symmetric Butler-Volmer equation is applied to the new model for electrochemical reaction. Existing models work at low operating current density due to an assumption of a linear relationship between the transfer current and the local overpotential. However, the proposed model in this dissertation shows accurate results when operating current density is high. The electrochemical effectiveness is calculated for various Thiele modulus values, and a simple correlation is developed for retrieving these effectiveness factor data, and then the validity of the effectiveness model is demonstrated by comparing the results with those obtained from the detailed electrode microscale model. Secondly, a new microscale simulation model for IT-SOFC is developed by modifying the existing one using the electrode effectiveness model proposed earlier. To predict performance of IT-SOFC accurately, it is essential to determine the current generation through electrochemical reaction. The electrochemical effectiveness model can accurately determine the current generation efficiencies of thin active functional layers in IT-SOFC electrodes even with a use of only a few grid points. The reliability of the new model is verified by comparing the predicted current-voltage performance curve with those from the comprehensive micro model results. The new model shows not only accurate results, but also much lower computational costs. Thus, the new model can be useful as a corner stone for developing large-scale simulation models or stack-level models. Finally, the proposed micro simulation model based on the effectiveness concept is utilized to calculate the distribution of oxygen concentration and current density transverse to the flow channel in the cathode. At first, simulations for finding optimized number of grids are conducted in order to calculate many cases. Also, the oxygen depletion characteristics are investigated through change in parameters and operating conditions, and effects on performance of SOFC are described.