A three-dimensional heat and fluid flow analysis for the solid oxide fuel cell has been performed to predict its performance. The continuity, momentum, energy, and species equations coupled with the electrochemical model are solved for the single periodic module of a unit cell. The gas flow in the porous electrode, which is governed by Darcy's Law, is accounted for by using the permeability-porosity relation developed earlier. The effective diffusion coefficient consists of ordinary and Knudsen diffusions. The local current density is determined iteratively by matching it with the mass transfer at the electrode surface. The model is validated comparing with the other simulation results in the literature. The calculation is carried out for various operating conditions and cell structures. The results, which include the current density, overpotential, temperature, pressure and concentration distributions in the anode, cathode and electrolyte of unit cell, are presented in the thesis along with the discussions on the effects of inlet temperature, anode thickness and the channel width. The output voltage is seen to improve as the inlet gas temperature increases and/or the channel width widens in all region. While increasing the anode thickness enhances the gas diffusion to the electrode surface and results in better performance, it also accompanies an increase in concentration overpotential especially in the region of high current density. An accurate assessment of these results can be useful in designing a planar SOFC.
고체 산화물 연료 전지의 성능을 예측하기 위해 3차원 열 유동 해석이 수행되었다. 전기화학 모델이 함께 적용된 연속, 운동량, 에너지, 화학종 방정식이 주기적인 형태를 가지는 단위셀해석에 이용되었다. 다공성 전극에서의 가스 유동은 Darcy의 법칙에 의해 지배받고 있으며 이것은 이전에 permeability와 porosity의 관계를 이용하여 설명되었다. effective diffusion coefficient는 일반 diffusion coefficient와 knudsen diffusion coefficient로 구성되어 있다. 국부 전류 밀도는 전극면에서의 물질 전달의 값과 비교하여 반복계산을 통하여 계산된다. 모델은 이전 논문에서의 다른 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 계산은 작동 조건 및 형상의 변화에 따라 수행되었다. 단위셀에서의 전해질과 연료극, 공기극에서의 전류 밀도, overpotential, 온도, 압력, 농도 분포등이 포함된 결과는 입구 온도와 anode 두께와 채널의 폭에 따른 영향에 대해 이 논문에서 토의된다. 온도가 높을수록 채널의 폭이 넓을수록 출력 전압은 높아진다. 반면 anode 두께가 두꺼울 때 확산효과에 의해 성능이 향상하지만 높은 전류 밀도를 가지는 영역에서는 농도 overpotential에 영향을 주게 된다. 이 논문 결과에 대해 정확한 평가는 평판형 고체 산화물 연료전지 설계에 유용하게 사용될 것이다.
