Analysis of three-dimensional fluid and heat/mass flow in a metal-supported solid oxide fuel cell by using a FVM procedure has been carried out. To lessen the computational burden, the channel is approximated by an anisotropic porous medium, of which the effective permeability and thermal conductivity are obtained by Forchheimer's modification of Darcy law and Fourier's law of heat conduction, separately. The continuity, Navier-Stokes, energy, and species equations coupled with the electro-chemical relations are then solved for the unit cell. The Bulter-Volmer equation is adopted to describe the activation overpotential. For concentration overpotential, both ordinary and Knudsen diffusions are considered to cater for different porous electrode designs.
The performance of a unit cell is obtained for a range of electric loads. To investigate the effect of geometric parameters, various channel arrangements or designs have been compared. The results, including current density, temperature, and pressure distribution of each case, are presented in the thesis. For three different cases of entrance area, although the cell voltages and temperature distributions are similar, the case with gradually-widening area between entrance and channels is seen to reduce the pressure drop in the cathode channel. Also the co-flow design is found to perform better than the cross-flow design as the thermal gradient is smaller and the temperature distribution is more uniform.
본 논문은 금속지지체형 SOFC 단위전지에 대한 3차원 열유동해석을 FVM 방법을 이용하여 수행하였다. 세부 채널을 anisotropic porous medium으로 가정하였으며, Forchheimer`s modification of Darcy law를 이용하여 permeability를 구하였고, Fourier`s law of conduction을 이용하여 effective thermal conductivity를 각각 구하였다.
단위전지의 해석은 continuity, Navier-Stokes, energy, and species equation과 전기화학 반응 모델을 모두 적용하여 수행하였다. 전기화학반응에서 Activation overpotential을 모사하기 위해서 Butler-Volmer equation이 사용되었으며, 전극 내부의 concentration overpotential은 ordinary diffusion과 Knudsen diffusion을 고려하여 모사하였다.
제시한 모델을 이용하여 전기적 부하, 전류밀도를 변화시켜가며 단위 전지의 성능을 얻을 수 있었다. 또한 다양한 형상 변화가 성능에 미치는 영향에 대한 결과를 비교해 보았다. 해석의 결과는 연료전지의 주요 성능이라고 할 수 있는 전류밀도, 온도, 압력 분포에 대해서 본 논문에 기술하였다. 3가지 형태의 다른 입구 영역을 가지는 형상에 대해서 비교한 결과, 전지의 전압, 온도분포는 매우 비슷하였지만, 입구가 점점 넓어지는 형상에서 공기극 채널의 압력 강하를 줄일 수 있었다. 또한 co-flow 형태의 단위전지가 cross-flow 형태의 단위전지 보다 온도분포가 균일하고, 온도 변화가 적은 장점이 있는 것을 발견하였다.
