aalto1 untyped-item.component.html
1D modeling of solid oxide stacks
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
67
Series
Abstract
Complex thermal, electrical, and chemical distributions form within operational solid-oxide stacks. During state transitions of the stacks, these distributions may occur both spatially and transiently over time. Excessive distributions may cause accelerated degradation of the stacks. In this thesis, a 1-dimensional SOC stack model was developed with the capability to predict the distributed phenomena in steady state and dynamic conditions. The developed model was built to extend Convion Ltd.'s existing 0D stack model, introducing as new features a 1D discretized domain over the stack and a dynamic simulation capability. The thesis focused on modeling the electrochemical and thermodynamic behaviour of the SOC stacks. The developed steady state and dynamic models were verified to establish the correctness of the implementations. Additionally, the performance of the dynamic model was evaluated to show that the demands for simulating state transitions of SOC system are satisfied. The applied assumptions were then critically reviewed to determine the suitability of the developed model for dynamic and 1-dimensional modeling of SOCs. The verification process showed that the developed model can accurately predict all considered stack measures, except the hydrogen fraction. The prediction is only present in simulations containing carbonaceous fuel mixtures, suggesting that the error is caused by the thermal side reactions. Overall, the developed model was found suitable in addressing the formation of spatial and transient temperature and current gradients within SOC stacks. It was concluded that with the model, operation limiting factors can be recognized and it can be utilized in optimizing the stack lifetime, potentially decreasing the costs of SOC systems. Further development needs were recognized in implementing more detailed heat transfer. Corrective actions for the prediction error of the hydrogen fraction were suggested as well.
Kiinteäoksidikennostoja operoidessa niiden sisälle muodostuu toisistaan riippuvaisia lämpötila-, virrantiheys- ja konsentraatiojakaumia. Kennostojen tilanmuutosten aikana jakaumia muodostuu sekä kennon pituussuunnassa että dynaamisesti ajassa muuttuen. Suuret jakaumat voivat olla vahingollisia kennostoille. Tässä diplomityössä kehitettiin yksiulotteinen kiinteäksidikennostomalli, jonka avulla voidaan ennustaa jakautuneita ilmiöitä sekä tasapainotilassa että dynaamisesti. Kehitetty malli pohjautuu Convion Oy:n olemassaolevaan 0D kennostomalliin. Diplomityössä olemassaolevaan malliin tuotiin uusina ominaisuuksina diskretisoitu ulottuvuus kennon pituussuunnan yli sekä kyvykkyys käsitellä mallinnettavia ilmiöitä dynaamisesti. Mallinnus keskittyi kennostojen sisäisiin sähkökemiallisiin ja termodynaamisiin ilmiöihin. Kehitetyt mallialgoritmit verifioitiin niiden oikeellisuuden varmistamiseksi. Lisäksi dynaamisen algoritmin suorituskykyä arvioitiin, jotta voitiin todeta sen täyttävän kiinteäoksidikennostojen tilanmuutosten mallintamisen tuomat vaatimukset. Lopuksi mallinnuksessa käytettejä oletuksia tarkasteltiin kriittisesti, jotta voitiin arvioida kehitetyn mallin soveltuvuutta kiinteäoksidikennostojen dynaamiseen ja yksiulotteiseen mallintamiseen. Mallin verifiointi osoitti, että kaikki tarkastellut suuret vedyn osuutta lukuunottamatta pystyttiin ennustamaan hyvin tarkasti. Virhettä vetyosuudessa havaittiin ainoastaan hiilipitoisia polttoaineita simuloitaessa. Tämän vuoksi pidettiin todennäköisenä, että virheen lähteenä olisivat lämpökemialliset sivureaktiot. Kokonaisuudessaan mallin todettiin uskottavasti ennustavan virta- ja lämpötilajakaumia kennoston sisällä sekä niiden käyttäytymistä ajassa. Voitiin todeta, että malli kykenee tunnistamaan operointia rajoittavat tekijät ja sen avulla voidaan pidentää kennostojen käyttöikää. Pidempi käyttöikä voi osaltaan vähentää kiinteäoksidijärjestelmien kustannuksia. Jatkokehityskohteiksi tunnistettiin yksityiskohtaisemman lämmönsiirron toteuttaminen. Myös esitetyt korjaustoimet vedyn osuuden ennustusvirheelle tulisi toteuttaa.
Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Myllymäki, AhtiÅström, Kim