A three-dimensional numerical analysis for the anode-supported flat-tubular solid oxide fuel cell has been conducted to predict its performance. The model incorporates the continuity, momentum, energy, species, and charge transport equations with the electrochemical reaction equations. Micro-structural effects are taken into account by considering the active surface area and the functional layer in each of the electrodes. The simulation results are compared with the experimental and numerical data in the literature, and good agreement is observed. Detailed results of current density, temperature, gas species, and overpotential distributions are presented for the single periodic module of a unit cell. The distributions of the reaction fields in the anode-supported flat-tubular SOFC are found to be similar to those in the planar SOFC except that the electrochemical reactions are more active under the rib region in the former case. Parametric studies reveal that the output voltage can be improved by increasing the inlet gas temperature and/or decreasing the rib width. Smaller particle size in the CFL enhances the cell performance significantly by decreasing cathode activation overpotential, while the particle size in the AFL has minor effects on the cell performance. It is also seen that most of the reactions in the AFL occurs within 20μm from the interface between the AFL and the electrolyte. On the other hand, most of the CFL participates in the reaction regardless of its thickness and there may be an optimal CFL thickness that enhances the cell performance most.
Anode를 지지체로 하는 평관형 고체 산화물 연료 전지에 대한 3차원 성능해석을 수행하였다. 성능해석 모델은 전기화학반응을 포함하며 질량, 운동량, 에너지, 화학종, 그리고 전하 보존 방정식의 다섯 가지 지배방정식으로 구성되어 있다. 또한 전극의 마이크로 구조에 의한 효과를 고려하기 위해 active surface area와 functional layer를 정의하였다. 성능해석 모델에 대한 타당성은 그 결과를 다른 문헌에 있는 실험 데이터와 비교를 함으로써 검증할 수 있었다. 해석 모델을 이용하여 기본 단위전지 모듈에 대한 전류밀도, 온도, 화학종 농도, 그리고 overpotential 분포를 나타낸 결과 기존의 평판형 고체 산화물 연료전지와 비슷한 패턴을 보였지만 평관형의 경우 rib 아래에서의 반응성이 평판형의 그것보다 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 작동 조건과 전지의 형상을 변화시키면서 해석을 수행한 결과 가스의 유입온도가 높을수록, 그리고 rib의 폭이 작을수록 더 높은 성능을 보였다. Functional layer를 구성하는 입자의 크기에 따른 성능 패턴 변화에 대한 해석 결과 CFL의 입자의 크기가 작을수록 cathode activation overpotential이 감소하여 성능이 크게 증가하였지만 AFL의 경우 입자의 크기가 변하여도 그에 따른 성능의 변화는 작게 나타났다. AFL에서는 그 두께가 두꺼워짐에 관계없이 전해질로부터 대략 20㎛의 범위 내에서 대부분의 반응이 발생하였지만 CFL의 경우 두께가 두꺼워지면 그만큼 반응 영역도 넓어짐을 확인할 수 있었다. 따라서 cathode concentration overpotential도 함께 고려할 때, 최적의 전지 성능을 낼 수 있는 CFL의 두께가 존재함을 알 수 있었다.
