Διερεύνηση και βελτιστοποίηση λειτουργίας κελιών καυσίμου με χρήση υπολογιστικού ρευστοδυναμικού μοντέλου και αλγεβρικών συσχετίσεων: εφαρμογή σε κελιά καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC)

Abstract

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο ισοθερμοκρασιακό μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης της λειτουργίας ενός κελιού καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης με χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Το κελί καυσίμου που προσομοιώνεται περιλαμβάνει τα κανάλια ροής των αερίων, ενώ ανάμεσά τους παρεμβάλλονται το ηλεκτρόδιο της ανόδου, ο ηλεκτρολύτης και το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων στη λειτουργία του κελιού καυσίμου. Η διερεύνηση διακρίνεται σε τρία μέρη: (A) μελέτη χρήσης εμπλουτισμένου ρεύματος αέρα σε Ο2 για διάφορες περιπτώσεις κατανάλωσης του οξειδωτικού μέσου, (Β) μεταμοντελοποίηση και εξαγωγή αλγεβρικών σχέσεων μεταξύ των παραμέτρων λειτουργίας, όπως προκύπτουν από τα ρευστοδυναμικά αποτελέσματα του κώδικα, (Γ) εφαρμογή των παραπάνω αποτελεσμάτων για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού εγκατάστασης με συγκεκριμένη απαίτηση ισχύος όπου γίνεται χρήση είτε ενός κελιού καυσίμου είτε μιας συστοιχίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν βελτίωση της ισχύος και της απόδοσης του κελιού καυσίμου με τη χρήση του εμπλουτισμένου ρεύματος αέρα σε Ο2 καθώς και άλλα πλεονεκτήματα, αλλά με βασικότερο μειονέκτημα αυτό του κόστους. Η μεταμοντελοποίηση συνδέει το δυναμικό λειτουργίας, την ισχύ και την απόδοση του κελιού καυσίμου.με τις μεταβλητές εισόδου. Επίσης μέσα από τη βελτιστοποιήση προκύπτει ένα απλουστευμένο μοντέλο λήψης αποφάσεων που συνδέει ισχύ, σύσταση του Ο2 στο οξειδωτικό, παροχή οξειδωτικού και καυσίμου, κατανάλωση οξειδωτικού αλλά και αριθμό κελιών καυσίμου για το πρόβλημα της συστοιχίας. Η βελτιστοποίηση είχε ως αποτέλεσμα την εξαγωγή νομογραφημάτων τα οποία συνδέουν τις συνθήκες λειτουργίας του κελιού ή της συστοιχίας και τα οποία μπορούν να αποδειχθούν ιδιαιτέρως χρήσιμα στο μηχανικό που ενδιαφέρεται για την τεχνολογία και τις εφαρμογές των κελιών καυσίμου.

In this work a three-dimensional, isothermal, steady-state computational model of a phosphoric acid fuel cell (PAFC) has been developed, by using computational fluid dynamics techniques (CFD). The model incorporates a complete cell with the gas distribution flow channels, separated from the membrane-electrode-assembly (MEA). The model is used to investigate the influence effect of process parameters on the performance of the fuel cell and contains three main parts: (A) the investigation of the set point of a phosphoric acid fuel cell with the usage of an enriched in O2 air current flow, (B) meta-modeling and export of algebraic relations between the parameters of the operation of the fuel cell, as they are exported from the computational data, (C) application of the above results for the optimization of planning with specific requirement of power, using one cell unit or a fuel cell stack. The results show an improvement of the fuel cell power and efficiency when the enriched in O2 air current is used, along with other benefits, but with a serious drawback: Cost. Meta-modeling correlates Cell Voltage, Cell Power and Cell Efficiency with the inlet variables of the fuel cell. Through the optimization, a simple decision model that combines power, O2 composition in oxidant current, flow of oxidant and fuel currents, oxidant current consumption and the stack units’ number (for the problem of the fuel cell stack) is also developed. Several nomograms were produced from the formulation and resolution of the optimization problem, which may prove to be a very useful tool for the engineers who are interested in fuel cells technology and applications.