Development of a quasi-2D dynamic model for simulation of solid oxide fuel cells

The purpose of the present work is to extend and improve an existing code capable of simulating the stationary performance of a high temperature planar SOFC in co-flow configuration, and to make it dynamic. Now, the code is much more accurate and efficient than it was, and it is now capable of simulating the transient after a load connection, starting from the hot cell at OCV. Anyway, the model can be easily adapted to run several type of dynamic simulations. One of the aim of the code will be the integration with a wider program for the simulation of advanced power systems, thus one of the focus has been the improvement of its velocity so as not to slow down the overall simulation. As a matter of fact, the calculations are now 20-200 times faster, depending on the type of simulation run. The code has been widely revised and extended in all its parts, indeed the revision process represents a considerable share of the work done. For instance, an iterative method to account for axial conduction within the cell has been implemented. Thus, a final results comparison against an already validated code has been performed, showing good matching. One of the work highlights is the developing of a direct carbon monoxide oxidation model defining a single reversible voltage, which proved to give realistic results in line with expectations. Moreover, a low temperature SOFC Macro-Scale model has been implemented, the comparison of its polarization curves with experimental data gave good results. Nevertheless, solving the charge conservation equations within the electrodes would enhance the model performance, due to an accurate evaluation of ohmic ionic losses and activation losses within the electrodes. Finally, the interest in investigating the SOFC dynamic in certain situations such as startup and dynamic load-following has led to the implementation of a dynamic model, which gave realistic results consistent with the stationary model ones.

Lo scopo di questo lavoro è di migliorare ed estendere un codice esistente in grado di lanciare simulazioni stazionarie di celle SOFC planari ad alta temperatura in configurazione co-flow, e di implementare un modello dinamico. Allo stato attuale il codice è di gran lunga più accurato e veloce di quanto non fosse in partenza, ed è inoltre in grado di simulare il transitorio dopo la connessione di un carico, partendo dalla situazione stazionaria di cella calda. Il modello può comunque essere facilmente adattato a lanciare svariati tipi di simulazioni dinamiche. Uno dei principali obiettivi del codice sarà quello di essere integrato in un più ampio programma atto a simulare sistemi energetici avanzati, per questo motivo è stata posta un'attenzione particolare all'efficienza del codice, di modo che non rallenti l'intera simulazione. A seguito delle modifiche apportate in tal senso, la velocità di calcolo del codice è aumentata di 20-200 volte, a seconda del tipo di simulazione considerata. Il codice è stato ampiamente revisionato ed esteso in ogni sua parte, tanto che il processo di revisione ha ricoperto una parte molto considerevole del lavoro svolto. Ad esempio, è stato implementato un metodo iterativo per considerare la conduzione assiale interna alla cella. Considerando quanto sopra, si è ritenuto necessario validare i risultati del codice comparandoli con quelli di un codice già validato, ottenendo ottimi risultati. Inoltre, è stato introdotto un modello per l'ossidazione diretta del monossido di carbonio, la cui peculiarità è quella di definire un'unica tensione reversible. I risultati del modello si sono dimostrati realistici e allineati con le aspettative. Nel codice è anche stato implementato un modello per la simulazione di celle SOFC a bassa temperatura, il confronto delle curve di polarizzazione ottenute con dati sperimentali ha dato buoni risultati. Nonostante ciò, risolvere le equazioni di conservazione della carica negli elettrodi esalterebbe le prestazioni del modello, sia per quanto riguarda i risultati che per quanto concerne la stabilità dei risultati stessi. Questo sarebbe dovuto ad una più accurata analisi delle perdite ohmiche e di attivazione negli elettrodi. Infine, l'interesse nel valutare la dinamica della cella in situazioni come lo startup e il load-following di un carico variabile, ha portato all'implementazione di un modello dinamico nel codice. Questo ha dimostrato di dare risultati realistici e consistenti con i risultati forniti dal modello stazionario.