Amonyak yakıtlı katı oksit yakıt pillerinin sayısal  modellemesi
Numerical modelling of ammonia fuelled solid oxide  fuel cell
Yazar: MOLLA ASMARE ALEMU
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Amonyak = Ammonia ; Elektrolitler = Electrolytes ; Modelleme = Modelling ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu çalışmada COMSOL Multiphysics programı aracılığıyla doğrudan amonyak yakıtlı silindirik katı oksit yakıt pilinin üç boyutlu sayısal modeli geliştirilmiştir. Ayrıca, modeli doğrulamak ve amonyak yakıtlı pillerin performansını karakterize etmek için deneysel bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmanın ana amacı amonyak yakıtlı oksijen iletimli elektrolit performansının proton iletken elektrolit pillerle karşılaştırmaktadır. Model performansı aynı çalışma parametreleri altında hidrojen yakıtı ile de karşılaştırılmıştır. Buna göre, bulgular amonyakla çalışan proton iletken pilin oksijen iletimli yakıt piline göre 1073K'nın altında daha yüksek performansa sahip olduğunu göstermektedir. Öte yandan, oksijen iletken elektrolite sahip yakıt pili performansı 1073K'nın üzerindeki sıcaklıklarda proton iletken pilden daha üstündür. Ayrıca, model doğrulaması da gerçekleştirilerek deneysel ve sayısal çalışmaların birbiri ile oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Farklı elektrolitler kullanılarak çeşitli değişkenlerin silindirik yakıt pilleri üzerindeki etkilerini incelenmek için parametrik analizler yapılmıştır. Sonuçlar sıcaklık, basınç, silindir uzunluğu, silindir iç çapı, reaktant konsantrasyonu, elektrot ve elektrolit kalınlığının pil performansında büyük etkileri olduğunu göstermektedir. Diğer taraftan, elektrot gözenekliliği, anot ve katot basınç düşüşünün yakıt pili performansı üzerinde önemli bir etkisi bulunmamaktadır. Aynı zamanda, silindirik yakıt pil çapının pil katmanlarının dışında inşa edilen anot elektrotunun tüm desteklerde daha iyi performansa sahip olduğu gözlenmiştir. Bu arada, anot elektrot pilin iç çapında olduğunda elektrolit, anot ve katot destekli doğrudan amonyak besleme yakıt pillerinin maksimum güç yoğunlukları sırasıyla 36,75, 89,64 ve 126,94mW/cm2'dir. Ancak, anot elektrot yakıt pilinin dış çapına yerleştirildiğinde sırasıyla elektrolit, anot ve katot destekli yakıt pili için 44,1, 124,4 ve 142,68mW/cm2 güç yoğunluğu bulunmuştur. Bu yüzden, anot pozisyonunun performans üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Benzer çalışma koşullarında, farklı destekler ve elektrolitler kullanılarak amonyak ve hidrojen yakıtları kullanılan pillerin performansı sayısal olarak karşılaştırılmıştır. Katot destekli silindirik yakıt pilleri hem elektrolit hem de anot destekli yakıt pillerine kıyasla daha üstün performans göstermiştir. Diğer dikkat çekici sonuç ise anot destekli pillerin güç performansının, anot elektrot tabakasının silindirin dış kısmında inşa edildiğinde diğer tüm desteklerden daha iyi bir iyileşme göstermesidir. Elektrolit destekli yakıt pillerinin performansının tüm çalışma koşullarında daha düşük performansa sahip olduğu da bulunmuştur. Bulgulara göre doğrudan amonyak yakıtlı pilleri tüm anot ve elektrolit yapılarında hidrojen yakıtlı pillerden daha iyi performans göstermiştir.

Abstract:
In this work, a 3D numerical model of a direct ammonia-powered tubular solid oxide fuel cell has been developed using COMSOL Multiphysics and an experimental study was carried out to validate the model. The main focus of this study is to investigate the performance characteristics of ammonia-fuelled oxygen-anion-conducting electrolyte cells and compare their performance to proton-conducting electrolyte cells. The performance of the model is also compared with the hydrogen-fuelled cell at the same operating variables. Accordingly, the findings revealed that ammonia-powered proton-conducting cell has outstanding performance over oxygen-anion conducting cells below1073K. Conversely, the oxygen-anion electrolyte is superior to the proton-conducting cell above 1073K. Thus, the oxide-ion conducting cells are promising for higher operating temperatures. Likewise, model validation has been performed and a nice agreement has been found. The result also demonstrates that simultaneous experimental and numerical studies make a great contribution to minimizing biases due to literature data during model validation. Parametric sweep analysis has been also studied to investigate the effects of variables on cells using different electrolytes. Related to this, results confirm that temperature, pressure, tube length, tube inner diameter, reactant concentration, electrode, and electrolyte thickness have huge effects on cell performance. However, electrode porosity, the anode, and the cathode pressure drop have no significant effects. This work also examines the effect of the fuel electrode setup on the performance of cells. The outcome of the study revealed that an anode electrode built at the outside layer of the cell has better performance in all supports. Meanwhile, when the anode position is the inner diameter of the tube, the maximum possible power densities for the electrolyte, anode, and cathode supported direct ammonia powered cells are 36,75, 89,64, and 126,94mW/cm2, respectively. Yet, when the position of the anode is reversed, a power density of 44,15, 124,45, and 142,68mW/cm2 are realized for electrolyte, anode, and cathode supported cells, congruently. This shows that the position of the anode has a great influence on the performance of the cell. The findings also conclude that the cathode-supported cell has superior performance compared to all supports of both electrolytes and anode sites. Yet, the other remarkable result found in this study is that the power performance of anode-supported cells has been shown better improvement than all other supports when the anode electrode is constructed at the outside portion of the tubular cell. The finding also reveals that direct ammonia-fueled tubular cells outperform hydrogen-fueled cells in all conductive electrolyte cell and anode settings.