Modeling and Optimization of Bio Syngas Fueled Planar Solid Oxide Fuel Cell Stack Designs = 바이오 합성 가스의 모델링 및 최적화 연료 평면 고체 산화물 연료 전지 스택 디자인
저자
발행사항
대전 : University of Science and Technology, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- University of Science and Technology : Engineering) 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
대전
형태사항
105 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Dr. Sang Keun Dong
UCI식별코드
I804:30003-200000284666
소장기관
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.
This research focuses on the modeling and CFD analysis of two different
stack designs of planar solid oxide fuel cell according to their flow uniformity.
Apart from flow uniformity, optimization of operating parameters of solid oxide
fuel cell is also analyzed to increase the performance of the stack. The first
chapter of the dissertation presents a brief introduction to the solid oxide fuel cell,
working principle of solid oxide fuel cell, different separator designs for flow
distribution, effect of flow uniformity on the performance and working principle
of genetic algorithm (GA) which is one of the optimization method.
In the second chapter, a 3D mechanistic model is developed for two
different designs of planar solid-oxide fuel cell (SOFC) stacks fueled with biogas.
The stacks consist of five planar SOFCs each and the stack flow uniformity index
criteria are employed to investigate the flow characteristics. The flow uniformity
is analyzed at the stack level as well as among the channels of the separators
using hydrodynamic simulations. The detailed transport processes and
chemical/electrochemical reactions with the overpotential losses are also
employed to evaluate the effects of the flow uniformity on the performance of the stacks. The model is validated by comparing the simulated results with the
experimental data performed in-house. Comparison of the species, temperature,
and current density distribution along with the normalized mass flow rate for two
different designs are conducted. The results revealed that the uniformity indexes
for the stack design with rectangular strips separators exceed 0.98 for both the
anode and cathode sides, whereas for the other design with circular guiding vane
separators, the uniformity indexes are approximately 0.88. Despite the higher
flow uniformity of the rectangular separator design, the temperature and current
density distributions are found to be more uniform with the circular guiding vane
separators. An error analysis of the experimental and simulated data is also
conducted to establish the accuracy of the model employed. The error analysis
demonstrated that the mean relative error (MRE) and root mean square error
(RMSE) indexes (%) are 1.7157 and 7.7921 for 120×120 mm2, and 1.5147 and
6.89 for 100×100 mm2, respectively. From the results of this analysis, it can be
deduced that the model used here accurately predicts the experimental results.
The third chapter focuses on the optimization of operating parameters of
the solid oxide fuel cell stack. Different operating parameters like fuel utilization,
air utilization, electrode porosity and operating temperature have been selected to
optimize. Firstly, the effect of all the parameters is analyzed on the performance
of the stack by changing one of the parameter and fixing all the other parameters at different current densities. It is observed that stack efficiency can be increased
by increasing the fuel utilization, operating temperature and by decreasing air
utilization while electrode porosity shows the optimum value of 40%. It is also
observed that as the current density is increased, the stack efficiency is decreased.
Furthermore, nine different cases have been made at current density of 6000
A/m2 and the other changing parameters. Two optimization approaches have
developed to optimize the operating parameters. One of the approach is
numerical analysis while the other is through genetic algorithm. Both the
methods show that the maximum stack efficiency can be obtained at fuel
utilization of 77%, air utilization of 20%, electrode porosity of 40% and
operating temperature of 754 0C.
분석정보
서지정보 내보내기(Export)
닫기소장기관 정보
닫기권호소장정보
닫기오류접수
닫기오류 접수 확인
닫기음성서비스 신청
닫기음성서비스 신청 확인
닫기이용약관
닫기학술연구정보서비스 이용약관 (2017년 1월 1일 ~ 현재 적용)
학술연구정보서비스(이하 RISS)는 정보주체의 자유와 권리 보호를 위해 「개인정보 보호법」 및 관계 법령이 정한 바를 준수하여, 적법하게 개인정보를 처리하고 안전하게 관리하고 있습니다. 이에 「개인정보 보호법」 제30조에 따라 정보주체에게 개인정보 처리에 관한 절차 및 기준을 안내하고, 이와 관련한 고충을 신속하고 원활하게 처리할 수 있도록 하기 위하여 다음과 같이 개인정보 처리방침을 수립·공개합니다.
주요 개인정보 처리 표시(라벨링)
목 차
3년
또는 회원탈퇴시까지5년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한3년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한2년
이상(개인정보보호위원회 : 개인정보의 안전성 확보조치 기준)개인정보파일의 명칭 | 운영근거 / 처리목적 | 개인정보파일에 기록되는 개인정보의 항목 | 보유기간 | |
---|---|---|---|---|
학술연구정보서비스 이용자 가입정보 파일 | 한국교육학술정보원법 | 필수 | ID, 비밀번호, 성명, 생년월일, 신분(직업구분), 이메일, 소속분야, 웹진메일 수신동의 여부 | 3년 또는 탈퇴시 |
선택 | 소속기관명, 소속도서관명, 학과/부서명, 학번/직원번호, 휴대전화, 주소 |
구분 | 담당자 | 연락처 |
---|---|---|
KERIS 개인정보 보호책임자 | 정보보호본부 김태우 | - 이메일 : lsy@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0439 - 팩스번호 : 053-714-0195 |
KERIS 개인정보 보호담당자 | 개인정보보호부 이상엽 | |
RISS 개인정보 보호책임자 | 대학학술본부 장금연 | - 이메일 : giltizen@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0149 - 팩스번호 : 053-714-0194 |
RISS 개인정보 보호담당자 | 학술진흥부 길원진 |
자동로그아웃 안내
닫기인증오류 안내
닫기귀하께서는 휴면계정 전환 후 1년동안 회원정보 수집 및 이용에 대한
재동의를 하지 않으신 관계로 개인정보가 삭제되었습니다.
(참조 : RISS 이용약관 및 개인정보처리방침)
신규회원으로 가입하여 이용 부탁 드리며, 추가 문의는 고객센터로 연락 바랍니다.
- 기존 아이디 재사용 불가
휴면계정 안내
RISS는 [표준개인정보 보호지침]에 따라 2년을 주기로 개인정보 수집·이용에 관하여 (재)동의를 받고 있으며, (재)동의를 하지 않을 경우, 휴면계정으로 전환됩니다.
(※ 휴면계정은 원문이용 및 복사/대출 서비스를 이용할 수 없습니다.)
휴면계정으로 전환된 후 1년간 회원정보 수집·이용에 대한 재동의를 하지 않을 경우, RISS에서 자동탈퇴 및 개인정보가 삭제처리 됩니다.
고객센터 1599-3122
ARS번호+1번(회원가입 및 정보수정)