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학위논문
저자정보

Muhammad Adeel Ashraf (과학기술연합대학원대학교, University of Science and Technology)

지도교수
Dr. Sang Keun Dong
발행연도
2020
저작권
과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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이 연구는 유동 균일성에 따라 평면 고체 산화물 연료 전지의 두
가지 스택 설계의 모델링 및 CFD 분석에 중점을 둡니다. 유동 균일 성
외에, 고체 산화물 연료 전지의 작동 파라미터의 최적화는 또한 스택의
성능을 증가시키기 위해 분석된다. 논문의 첫 번째 장은 고체 산화물 연료
전지, 고체 산화물 연료 전지의 작동 원리, 흐름 분배를위한 다양한
분리기 디자인, 흐름 균일 성이 성능에 미치는 영향 및 유전자 알고리즘
(GA)의 작동 원리에 대한 간략한 소개를 제공합니다. 최적화 방법 중
하나입니다.
두 번째 장에서, 바이오 가스로 연료를 공급받는 두 개의 서로 다른
평면 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 스택 설계를 위해 3D 기계 모델이
개발되었습니다. 스택은 각각 5 개의 평면 SOFC 로 구성되며 스택 흐름
균일 성 지수 기준은 흐름 특성을 조사하기 위해 사용됩니다. 유체
균일도는 유체 역학 시뮬레이션을 사용하여 분리기의 채널뿐만 아니라 스택 레벨에서 분석됩니다. 스택의 성능에 대한 유동 균일 성의 영향을
평가하기 위해과 포텐셜 손실을 갖는 상세한 운송 공정 및 화학 / 전기
화학적 반응이 또한 사용된다. 시뮬레이션 된 결과를 사내에서 수행 된
실험 데이터와 비교하여 모델의 유효성을 검사합니다. 두 가지 설계에
대한 정규화 된 질량 유량과 함께 종, 온도 및 전류 밀도 분포의 비교가
수행됩니다. 결과는 직사각형 스트립 분리기를 갖는 스택 설계에 대한
균일 성 지수가 양극 및 캐소드 측면 모두에 대해 0.98 을 초과하는 반면,
원형 안내 베인 분리기를 갖는 다른 설계에 대해 균일 성 지수는 대략
0.88 인 것으로 밝혀졌다. 직사각형 분리기 설계의 더 높은 유동
균일성에도 불구하고, 온도 및 전류 밀도 분포는 원형 안내 베인 분리기와
더 균일 한 것으로 밝혀졌다. 사용 된 모델의 정확성을 확립하기 위해
실험 및 시뮬레이션 된 데이터의 에러 분석도 수행됩니다. 오차 분석은
120x120 mm2 의 경우 평균 상대 오차 (MRE) 및 RMSE (root mean
square error) 지수 (%)가 각각 1.7157 및 7.7921, 100x100 mm2 의
경우 1.5147 및 6.89 임을 나타냅니다. 이 분석 결과로부터, 여기에 사용
된 모델이 실험 결과를 정확하게 예측한다고 추론 할 수 있습니다.
세 번째 장에서는 고체 산화물 연료 전지 스택의 작동 매개 변수
최적화에 중점을 둡니다. 연료 사용률, 공기 사용률, 전극 기공률 및 작동 온도와 같은 다양한 작동 매개 변수가 최적화되도록 선택되었습니다.
먼저, 매개 변수 중 하나를 변경하고 다른 모든 매개 변수를 다른 전류
밀도로 고정하여 스택의 성능에 대한 모든 매개 변수의 영향을
분석합니다. 전극 다공도가 40 %의 최적 값을 나타내는 동안 연료 이용률,
작동 온도를 증가시키고 공기 이용률을 감소시킴으로써 스택 효율이 증가
될 수있는 것으로 관찰되었다. 또한 전류 밀도가 증가함에 따라 스택
효율이 감소되는 것으로 관찰되었다. 또한 6000 A / m2 의 전류 밀도와
다른 변화하는 매개 변수에서 9 가지 다른 사례가 만들어졌습니다. 작동
매개 변수를 최적화하기 위해 두 가지 최적화 방법이 개발되었습니다.
접근 방식 중 하나는 수치 분석이고 다른 하나는 유전자 알고리즘을
사용하는 것입니다. 두 방법 모두 연료 사용률 77 %, 공기 사용률 20 %,
전극 다공도 40 % 및 작동 온도 7540C 에서 최대 스택 효율을 얻을 수
있음을 보여줍니다.

목차

1. Introduction.............................................................................1
1.1. Solid Oxide Fuel Cell.................................................................1
1.2. Working Principle of SOFC.......................................................2
1.3. Flow Uniformity.........................................................................6
1.4. Biogas as a fuel in SOFCs..........................................................8
1.5. Genetic Algorithm (GA) ..........................................................10
1.5.1. Fitness ..................................................................................11
1.5.2. Selection...............................................................................12
1.5.3. Crossover .............................................................................12
1.5.4. Mutation...............................................................................13
1.6. Research motivation.................................................................13
1.7. Objectives of the study.............................................................14
2. CFD Analysis of 5 Planar-SOFC Stack Designs.................16
2.1. Model Development.................................................................17
2.1.1. Geometry and Mesh .............................................................17
2.1.2. Model Assumptions .............................................................20
2.1.3. Reactions Considered for Model..........................................20
2.1.4. Electrochemical Model ....................................................... 21
2.1.5. Governing Equations........................................................... 23
2.1.6. Stack Flow Uniformity Criteria........................................... 26
2.2. Results and Discussion............................................................ 27
2.2.1. Explanation of Experimental Results.................................. 27
2.2.2. Model Validation................................................................. 29
2.2.3. Error Analysis and Cell Efficiency ..................................... 31
2.2.4. Calculation Results for Flow Analysis Within Cells........... 32
2.2.5. Calculation Results for Flow Analysis Within Channels.... 34
2.2.6. Species, Temperature and Current Distribution .................. 38
3. Optimization of Operating Parameters of SOFC ..............43
3.1. Effect of Fuel Utilization......................................................... 43
3.2. Effect of Air Utilization........................................................... 45
3.3. Effect of Porosity..................................................................... 47
3.4. Effect of Operating Temperature............................................. 48
3.5. Optimization Through Numerical Approach........................... 50
3.5.1. Parameters to be Optimized ................................................ 50
3.5.2. Numerical Results ............................................................... 52
3.6. Optimization Through Genetic Algorithm.............................. 58
3.6.1. Curve Fitting and Equation Generation ...............................58
3.6.2. Genetic Algorithm Results...................................................67
4. Conclusions ............................................................................75
5. References ..............................................................................80

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