Solid Oxide Fuel Cell Modeling at the Cell Scale - Focusing on Species, Heat, Charge and Momentum Transport as well as the Reaction Kinetics and Effects

Abstract

Fuel cells are electrochemical devices that directly transform chemical energy into electricity. They are promising for future energy systems, since they are energy efficient, able to use renewable fuels and, when hydrogen is used as fuel, there are no direct emissions of greenhouse gases. Various improvements are made during the recent years, however the technology is still in the early phases of commercialisation.



Fully coupled computational fluid dynamics (CFD) approaches based on the finite element method (with the software COMSOL Multiphysics) in two-dimensions are developed, in several steps, to describe an intermediate temperature SOFC single cell. Governing equations covering heat, gas-phase species, momentum, ion and electron transport are implemented and coupled to kinetics describing internal reforming and electrochemical reactions. Both ordinary and Knudsen diffusion are considered for the gas-phase species transport. For the heat transport a local temperature equilibrium approach is compared to a local temperature non-equilibrium approach, considering the solid- and gas-phases. The Darcy-Brinkman equation enables continuous pressure and velocity fields over the electrode/gas channel interfaces. The electrochemical reaction model is extended from zero-dimension (with only an average value defined) in the early models, to one-dimension covering the variation in current density along the flow direction. Finally a two-dimensional approach including the current density distribution, both along the flow direction and through the electrolyte-electrodes, is developed. The model relies on experimental data from a standard cell developed at Ningbo Institute of Material Technology & Engineering (NIMTE) in China.



The anode microscopic structure and catalytic characteristics have a major impact on the internal reforming reaction rates and also on the cell performance. The large difference between the different activation energies and reaction kinetics found in the open literature may be due to the fact that several parameters probably have a significance influence on the reaction rate. Heat is generated due to ohmic, activation and concentration polarizations within the electrolyte and electrodes as well as change of entropy in the cathodic electrochemical reactions. Heat is consumed due to the change of entropy in the anodic electrochemical reactions and the steam reforming reactions within the anode. The activation polarizations in the electrodes and the ohmic polarization due to ion transport in the YSZ material are found to be the major part of the polarizations. The activation polarization is the most significant and as the electrochemical model is extended from one- to two-dimensions, the activation polarization within the cathode becomes smaller than the one within the anode. This difference might be explained by different current density per (active TPB) area and variable area-to-volume-ratios for the electrochemical reactions within the anode and cathode, respectively. The current density and the activation polarization are the highest at the electrolyte-electrode interface and decreases rapidly within the electrodes as the distance from the interface increases. However, the ohmic polarization by ion transfer increases for the positions away from the interface.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bränslecellen uppfanns redan 1838, det kommersiella genombrottet dröjde till 2007, den framtida potentialen är mycket lovande



Domedagsprofetior angående växthuseffektens betydelse för livet på jorden når oss via media allt oftare. Bränsleceller är mycket lovande för ett framtida miljövänligt samhälle. Hög energieffektivitet och inga utsläpp av koldioxid, kväveoxider eller hälsoskadliga partiklar är några av fördelarna. Ett minskat behov av olja kan leda till ett minskat beroende av oberäkneliga oljestater och på sikt till en fredligare värld.



Bränslecellens utveckling

Bränslecellen är ingen ny uppfinning, idén kommer från år 1838 och Christian Friedrich Schönbein (verksam vid universitet i Basel) och William Robert Grove (verksam vid Royal Insitution of Great Britain). Det dröjde dock fram till 1950-talet innan kompletta bränslecellssystem var konstruerade. Anledningen till att utvecklingen var långsam till en början kan till stor del förklaras med tillgången till billig olja. Bränsleceller blev mer allmänt kända då de användes som kraftkälla i det amerikanska rymdprogrammet Apollo. Forskningen har ökat mycket under senare år på grund av ökade bränslepriser och diskussionen kring växthuseffektens påverkan på jordens klimat.



Hur fungerar en bränslecell?

Den enklaste formen av en bränslecell bygger på att syre och väte reagerar med varandra och bildar vatten. En bränslecell är uppbyggd av en anod, en katod och en elektrolyt. En anod är den del i en elektrolytisk cell som är förbunden med strömkällans positiva pol, och katoden är sammanbunden med dess negativa pol. Elektrolyten kan liknas vid ett membran. Det gasformiga bränslet transporteras till anoden där det reagerar i elektrokemiska reaktioner med syrejoner. Syrejonerna produceras i katoden där syre reagerar med elektroner till jonform. Syrejonerna transporteras igenom elektrolyten för att nå bränslet i anoden. Elektronerna släpps inte igenom elektrolyten, vilket gör att en spänning uppstår. Den givna beskrivningen gäller för vad som sker i en fastoxidbränslecell, men också övriga typer av bränsleceller är uppbyggda enligt motsvarande principer.



Fastoxidbränsleceller har en hög arbetstemperatur, elektrolyten, bestående av en fastoxid, är utformad för att endast släppa igenom syrejoner som transporteras från katoden till anoden. Skillnaden mellan olika typer av bränsleceller är främst vilken typ av elektrolyt som används och bränslecellens arbetstemperatur.



Bränsleceller producerar elektricitet och värme direkt från kemiska reaktioner mellan bränsle och luft. Vilket bränsle som kan användas beror på vilken typ av bränslecell. När ren vätgas eller biogas används blir det inga nettoutsläpp av koldioxid, hälsoskadliga partiklar eller kväveoxider om produktionen av bränsle är ren. Processen är på så sätt helt miljövänlig och koldioxidneutral.



Liten som en ärta till stor som ett kraftverk

Den framtida potentialen för bränsleceller är mycket stor eftersom de kan byggas i många olika storlekar. Mycket små för att ersätta ett batteri, små för att generera el till kringutrustning i en bil eller lastbil, stora för att ersätta motorn i en personbil och mycket stora i form av ett kraftvärmeverk. De största hindren för en kommersialisering i stor skala är tillverkningskostnaden, livslängden och saknaden av en infrastruktur för vätgas och biogas/ naturgas.



Fred på jorden?

En ökad användning av bränsleceller kan leda till en ökad lokal bränsleproduktion, och därmed ett minskat beroende från import av olja och naturgas från länder där politisk instabilitet hör till vardagen. Dispyter angående rättigheter till oljeproduktion har resulterat i flera krig på senare år som kriget mellan Iran och Irak, Kuwaitkriget och Irakkriget. En ökad användning av effektiva energisystem, där bränsleceller är en viktig nyckelkomponent, kan vara viktigt för skapandet av en fredligare värld.



Den egna forskningen

För fastoxidbränsleceller där arbetstemperaturen är mellan 600 och 1000 °C är det möjligt att använda sig av mer komplexa bränslen jämfört med vätgas, som exempelvis naturgas, biogas, metanol, etanol eller diesel. Då sker en omvandling av bränslet, antingen i en egen enhet som bränslet får passera innan det kommer till bränslecellen, eller inne i bränslecellens anod. Det material som vanligtvis används i anoden har visat sig vara lämpligt för katalytisk omvandling av naturgas och biogas till vätgas och kolmonoxid, vilka kan användas som bränsle i de elektrokemiska reaktionerna med syrejoner som sker i bränslecellens anod.



Forskningen inom forskargruppen i Lund har visat på fördelar med att omvandla biogas eller naturgas inne i bränslecellen. Värme som kommer från de elektrokemiska reaktionerna kan användas inne i bränslecellen för att driva omvandlingen till vätgas och kolmonoxid. Den totala effektiviteten ökar samtidigt som de totala temperaturskillnaderna minskar. Resultaten kan på sikt leda till en minskad produktionskostnad och en ökad livslängd.

Bränslecellens elektrokemiska reaktioner sker i anoden och katoden, huvuddelen av reaktionerna sker inom en tjocklek av endast 2,4 mikrometer i katoden och 6,2 mikrometer i anoden. I min forskning undersöks hur ytan för dessa reaktioner kan utökas och hur transporten av syrejoner kan underlättas. En större tillgänglig aktiv yta för elektrokemiska reaktioner möjliggör en högre strömtäthet. Den egenutvecklade modellen är validerad mot experimentella data från NIMTE (Ningbo Institute of Material Technology and Engineering) i Kina.



Hur långt har utvecklingen kommit?

Bränsleceller anses vara i kommersiell tillverkning från och med år 2007. Produktion i stor skala har startat för ett antal nischmarknader inom rymdprogrammen, för militära ändamål och som reservkraft för till exempel sjukhus eller mobilmaster. Inom några år kommer sannolikt bränslecellssystem att vara mer vanliga inom fordonsindustrin. Det är en enorm marknad som hägrar och marknadens i dag mest effektiva bränslecellsdriva bil är tre gånger så hög verkningsgrad som en vanlig bensinmotor. En ökad forskning och utveckling på bränsleceller kommer att leda till en ökad ekonomisk tillväxt.



Framtida möjligheter

Volvo lastvagnar och Delphi utvecklar båda bränslecellssystem, som de hoppas kunna introducera på marknaden år 2012 eller 2013. Det kan nämnas att Toyota förväntar sig en dubblerad verkningsgrad om bränsleceller ersätter dagens förbränningsmotorer i bilar. Marknaden för bränsleceller förväntas växa kraftigt i takt med att tillverkningskostnaden minskar, verkningsgraden och livslängden ökar. De största konkurrenterna till bränsleceller är ett lågt pris på olja samt bristen på ett väl utvecklat system för säker lagring och transport av ett gasformigt bränsle. Vid användning av en extra enhet för omvandling av till exempel diesel ökar systemkostnaderna. Bränsleceller är beroende av batterier för att kunna leverera elektricitet när systemet startas upp samt för att möjliggöra drift vid en för bränslecellen optimal belastning.



I takt med att tillverkningskostnaderna sjunker och/eller bränslepriserna stiger ökar antalet områden där bränsleceller blir mer prisvärda jämfört med nuvarande teknologier så som batterier, motorer eller kraftverk. Den internationella energimyndigheten (IEA) förutspår att vätgas motsvarande 15 procent av dagens råoljeproduktion kommer att användas i bränsleceller för fordon år 2050. IEA förutspår vidare en installerad effekt motsvarande mer än den nuvarande effekten från kärnkraft i hela världen för stationära bränslecellssystem år 2050. För att uppnå denna stora betydelse måste tillverkningskostnaden sjunka och livslängden öka.



Sammanfattningsvis

Problemen och utmaningarna med dagens energisystem är både globala och lokala med utsläpp av bland annat koldioxid, hälsoskadliga partiklar och kväveoxider. Man vet att det finns en begränsad mängd av fossila bränslen och det diskuteras hur länge mänskligheten kan fortsätta att utvinna olja i samma takt som idag. Möjligheten av en ren, miljövänlig och energieffektiv bränsleanvändning driver utvecklingen av bränsleceller och bränslecellssystem framåt i ett allt snabbare tempo. Det som kommer att bestämma tillväxten inom bränslecellsområdet är hur snabbt tillverkningskostnaden kan sänkas, livslängden ökas samt utvecklingen av oljepriset.



Den aktuella forskningen är finansierad av den svenska staten via Vetenskapsrådet och Sida samt av Europeiska forskningsrådet.

• author: Andersson, Martin
• supervisor: Jinliang Yuan; Bengt Sundén
• opponent: PhD Beale, Steven, National Reseach Council, Ottawa, Canada
• organization: Heat Transfer
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: SOFC, anode-supported, modeling, CFD, charge/species/heat/momentum transport, electrochemical/internal reforming reactions, TPB, area-to-volume ratio, COMSOL Multiphysics
• pages: 210 pages
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-12-09 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN LUTMDN/TMHP--11/1084--SE
• ISBN: 978-91-7473-180-4
• DOI: 10.13140/RG.2.2.12858.59846
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8a1f6fdc-d3c5-41c0-b62a-5e064d3dd580 (old id 2202607)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:03:59
• date last changed: 2023-04-18 20:23:03