Physical analysis of the main processes in the solid oxide fuel cells and their mathematical description

Abstract

Palivové články s pevnými oxidy (SOFC) jsou slibnou technologií budouc- nosti. Pro dosažení vysoké účinnosti je třeba porozumět základním procesům probíhajícím v SOFC. V práci je odvozena Lineární teorie směsí využitá k termodynamickému popisu fungování palivových článků s pevnými oxidy, zvláště pak vlivu termoelektrického jevu. Pro popis elektrochemických re- akcí probíhajících v palivovém článku je použito Butlerovy-Volmerovy rov- nice s novým vztahem mezi přepětím a elektrochemickou affinitou. Odvozený model, popisující stacionární fungování palivového článku, je prezentován v podobě systému parciálních differenciálních rovnic. Tento systém rovnic, doplněný o okrajové podmínky, je slabě zformulován v 1D přiblížení. Tato formulace je posléze numericky implementována a vyřešena pomocí metody konečných prvků. 1

Solid oxide fuel cells (SOFC) are mainly used as large stationary elec- tricity sources, therefore an every little improvement in their performance leads to considerable savings. In order to understand the fundamentals of the SOFC operation, we have developed a new model describing the main physical processes. The thermodynamical model of SOFC, developed in this thesis, concerns the gas transport, the transport of the charged particles in- cluding the thermoelectric effect and the electrochemical reactions. Linear irreversible thermodynamics is the key modelling framework, in which the dusty gas model and the Butler-Volmer equations are used. A new relation between the electrochemical affinity and the overpotential is introduced into the Butler-Volmer equation. A weakly formulated statinonary system en- dowed with boundary conditions is solved with the finite element method in one dimensional approximation. 1