A 1D+1D model for planar high temperature solide oxide fuel cells

In this thesis a quasi 2D model for high temperature solid oxide fuel cell (HT-SOFC) has been developed. The model is divided into two domains: channel and cell. The first domain includes all the thermo-physical phenomena mainly correlated to the heat and mass processes, and it is described by using the conservation equations, the plug flow equation and the overall current extraction equation. The second domain includes all the electrochemical processes and mass diffusion processes inside the porous layers of the cell. The model simulates the performance of rectangular cells consisting of two interconnectors to collect the produced current, a solid cell named PEN (Positive-electrode Electrolyte Negative-electrode) and two channels where the species flow. A unique feature of the model is the ability to simulate EIS spectra either as an average of the whole cell area, or as a series of local impedance spectra which vary along the channel axis. The model has been improved in several ways, namely: by introducing a larger number of thermo-physical properties dependent on composition and temperature; by improving the description of the interconnectors; by vectorizing the numerical model in order to reduce the required computational time; by updating the diffusion model from Fick law to Dusty Gas Model (DGM); finally by inclusion of internal consistency verifications. The model has been analyzed through a series of tests conducted in typical operating conditions to investigate the potentialities both for the stationary part and for the dynamic one. The model has also been tested on real datasets collected in Politecnico’s laboratories. First, it emerged that the computational time for the new model is up to four time faster than the original model. Then a wide range of simulations have been reported with consistent checked results. Finally, after the fitting procedure, the model was able to simulate with accuracy the majority of the lab’s data. The work ends with a sensitivity analysis aimed to explain the measured data through the outcomes from the model.

In questa tesi è stato sviluppato un modello quasi 2D per celle a combustibile a ossido solido ad alta temperatura (HT-SOFC). Il modello è diviso in due domini: canale e cella. Il primo dominio comprende tutti i fenomeni termo-fisici, principalmente correlati ai processi di scambio di calore e di massa, ed è descritto utilizzando le equazioni di conservazione, l'equazione di plug-flow e l'equazione di estrazione di corrente complessiva. Il secondo dominio comprende tutti i processi elettrochimici e i processi di diffusione di massa all'interno degli strati porosi della cella. Il modello simula le prestazioni di celle rettangolari costituite da due interconnettori per raccogliere la corrente prodotta, una cella solida denominata PEN (Positive-electrode Electrolyte Negative-electrode) e due canali in cui scorrono le specie gas. Una caratteristica unica del modello è la capacità di simulare gli spettri EIS sia come media dell'intera area della cella, sia come una serie di spettri di impedenza locale che variano lungo l'asse del canale. Il modello è stato migliorato in diversi modi, in particolare: introducendo un numero maggiore di proprietà termofisiche dipendenti dalla composizione e dalla temperatura; migliorando la descrizione degli interconnettori; vettorizzando il modello numerico al fine di ridurre i tempi di calcolo richiesti; aggiornando il modello di diffusione dalla legge Fick al Dusty Gas Model (DGM); infine mediante l'inserimento di verifiche dei bilanci di energia e materia. Il modello è stato analizzato attraverso una serie di prove condotte in condizioni tipiche di funzionamento per indagarne le potenzialità sia per la parte stazionaria che per quella dinamica. Il modello è stato anche testato su dati reali raccolti nei laboratori del Politecnico. In primo luogo, è emerso che il tempo di calcolo del nuovo modello è fino a quattro volte più veloce del modello originale. Quindi è stata riportata un'ampia gamma di simulazioni con risultati verificati e coerenti. Infine, dopo la procedura di fitting, il modello è stato in grado di simulare con precisione la maggior parte dei dati di laboratorio. Il lavoro si conclude con un'analisi di sensitività volta a spiegare i dati misurati attraverso i risultati del modello.