Modelowanie wielu parametrów fizycznych ogniwa paliwowego

Ogniwa paliwowe przekształcają energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną w reakcji elektrochemicznej, która jest bardziej wydajna od konwencjonalnych urządzeń do konwersji energii elektrycznej. Duński Uniwersytet Techniczny opracowuje SOFC zbudowane z cienkich warstw zaawansowanych materiałów ceramicznych (a w niektórych przypadkach również metali).

Prowadzone prace badawczo-rozwojowe obejmują badania podstawowe materiałów i ich właściwości strukturalnych, jak również wytwarzanie pełnych ogniw. Celem finansowanego przez UE projektu w ramach programu Marie Curie CFDSOFC (Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells) było wnikliwe zbadanie ich wydajności elektrochemicznej. Prace uczestników nakierowane były na rozwiązanie problemów technicznych związanych z wprowadzaniem tej technologii na rynek.

Stworzono model 3D, aby móc lepiej zrozumieć działanie SOFC na podstawie szczegółowego opisu ich geometrii. Reakcje elektrochemiczne i zjawiska przenoszenia opisywano poprzez tzw. terminy źródłowe głównych równań na ciepło, masę, pęd oraz przenoszenie jonów i elektronów.

Przyjmując odpowiednie warunki graniczne rozwiązano te równania zachowania przy użyciu oprogramowania uwzględniającego wiele parametrów fizycznych. Stosowano oprogramowanie do modelowania COMSOL Multiphysics, aby rozwiązać równania w 3D z użyciem obliczeniowej dynamiki płynów dla modułów transferu ciepła i reakcji elektrochemicznych.

Model CFDSOFC został zwalidowany w porównaniu ze zbadanymi doświadczalnie właściwościami mikrostrukturalnymi, które są istotne dla żywotności ogniwa. Kolejnym etapem było pozyskanie parametrów wybranego przypadku wzorcowego, aby określić optymalny projekt SOFC.

Duński Uniwersytet Techniczny ma długie tradycje bliskiej współpracy z instytutami badawczymi z całego świata. Po ukończeniu projektu CFDSOFC i po powrocie stypendysty projektu Marie Curie na Uniwersytet w Bolu (Turcja) oczekuje się kontynuacji współpracy w przyszłych programach badawczych.