Modelling of a Solid Oxide Water Electrolyzers and Investigation of the Cell Performance on Different Working Conditions

Öz

Solid Oxide Water Electrolyzers (SOECs) provide high temperature water electrolysis in high efficiency. They are seen as one of the most economical hydrogen production method due to their integration on nuclear power plants’ and industrial melting furnaces’ process heat. In this study, a cathode supported SOEC is numerically modelled to investigate the effect of different conditions on the cell performance. Increasing the cell operating temperature from 800 oC to 900 oC, velocity inside the channel is increased about 0.24 m s-1. On the other hand, hydrogen production amount is increased 2.51 mole m-3. In addition, between 600-1000 oC temperature values, cell performance is increased around ten times. Moreover, in simulation results, hydrogen, and water vapor concentration are observed and in higher temperatures, further molar fraction and concentration values are observed for hydrogen gas inside the channel and cathode electrode.

Anahtar Kelimeler

• hydrogen production
• solid oxide electrolyzer
• numerical modelling

Proje Numarası

FKB-2019-9134

Bir katı oksit elektrolizörün sayısal modellenmesi ve farklı çalışma koşullarındaki performansının incelenmesi

Öz

Yüksek sıcaklıkta yüksek verimle suyun elektrolizi işlemini sağlayan katı oksit elektrolizörler (KOE) özellikle nükleer reaktörler, fabrikalar yüksek sıcaklık uygulamalarına sahip ergitme hatları gibi uygulamalardaki proses ısıları ile kullanılarak hidrojen üretimi sağlayabilmeleri sebebiyle en ekonomik hidrojen üretim sistemlerinden birisi olarak görülmektedirler. Bu çalışmada, katot destekli bir KOE sayısal olarak modellenerek farklı çalışma koşullarının performansını nasıl etkilediği ve hücre içerisinde reaktant ve ürün konsantrasyonunun nasıl değiştiği incelenmiştir. Hücre çalışma sıcaklığı 800 oC’den 900 oC’ye arttırılması ile kanal içerisindeki hız dağılımında 0,24 m sn-1 artık olurken hidrojen üretiminde 2,51 mol m-3’lük bir artış meydana gelmiştir. Sıcaklık değerinin 600-1000 oC arasında değişimi ile hücre performansında on katın üstünde artış meydana gelmiştir. Ayrıca elde edilen simülasyon sonuçlarına göre kanal içerisindeki hidrojen ve su buharı konsantrasyonlarının değişimleri de gözlemlenebilmiş ve yüksek sıcaklıklarda yüksek molar akı ve konsantrasyonda hidrojenin kanal ve katot elektrot içerisinde dağılabildiği gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Katı oksit elektroliz
• elektroliz
• hidrojen üretimi
• oksijen üretimi
• sayısal modelleme
• CFD

Destekleyen Kurum

Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi

Proje Numarası

FKB-2019-9134

Teşekkür

Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri birimi, FKB-2019-9134 kodlu projeye çalışmaya desteklerinden ötürü teşekkür ederim.

Kaynakça

1. 1. Winter, C.-J., Hydrogen energy—Abundant, efficient, clean: A debate over the energy-system-of-change, International journal of hydrogen energy, 34(14), 1-52, 2009.
2. 2. Jin, X. ve Xue, X., Computational fluid dynamics analysis of solid oxide electrolysis cells with delaminations, International Journal of Hydrogen Energy, 35(14), 7321-7328, 2010.
3. 3. Nerat, M. ve Juričić, Đ., Modelling of anode delamination in solid oxide electrolysis cell and analysis of its effects on electrochemical performance, International Journal of Hydrogen Energy, 43(17), 8179-8189, 2018.
4. 4. Heidari, D., Javadpour, S. ve Chan, S.H., Optimization of BSCF-SDC composite air electrode for intermediate temperature solid oxide electrolyzer cell, Energy Conversion and Management, 136, 78-84, 2017.
5. 5. Yan, J., Chen, H., Dogdibegovic, E., Stevenson, J.W., Cheng, M. ve Zhou, X.-D., High-efficiency intermediate temperature solid oxide electrolyzer cells for the conversion of carbon dioxide to fuels, Journal of Power Sources, 252, 79-84, 2014.
6. 6. Naterer, G., Fowler, M., Cotton, J. ve Gabriel, K., Synergistic roles of off-peak electrolysis and thermochemical production of hydrogen from nuclear energy in Canada, International journal of hydrogen energy, 33(23), 6849-6857, 2008.
7. 7. Laguna-Bercero, M., Campana, R., Larrea, A., Kilner, J. ve Orera, V., Electrolyte degradation in anode supported microtubular yttria stabilized zirconia-based solid oxide steam electrolysis cells at high voltages of operation, Journal of Power Sources, 196(21), 8942-8947, 2011.
8. 8. Fogel, S., Kryk, H. ve Hampel, U., Simulation of the transient behavior of tubular solid oxide electrolyzer cells under fast load variations, International Journal of Hydrogen Energy, 44(18), 9188-9202, 2019.

9. 9. Ni, M., Leung, M.K. ve Leung, D.Y., A modeling study on concentration overpotentials of a reversible solid oxide fuel cell, Journal of Power Sources, 163(1), 460-466, 2006.
10. 10. Grondin, D., Deseure, J., Brisse, A., Zahid, M. ve Ozil, P., Simulation of a high temperature electrolyzer, Journal of Applied Electrochemistry, 40(5), 933-941, 2010.
11. 11. Stempien, J.P., Sun, Q. ve Chan, S.H., Solid oxide electrolyzer cell modeling: A review, Journal of Power Technologies, 93(4), 216-246, 2013.
12. 12. Hussain, M., Li, X. ve Dincer, I., Mathematical modeling of planar solid oxide fuel cells, Journal of Power Sources, 161(2), 1012-1022, 2006.
13. 13. Jin, X. ve Xue, X., Mathematical modeling analysis of regenerative solid oxide fuel cells in switching mode conditions, Journal of Power Sources, 195(19), 6652-6658, 2010.
14. 14. Shi, Y., Cai, N. ve Li, C., Numerical modeling of an anode-supported SOFC button cell considering anodic surface diffusion, Journal of Power Sources, 164(2), 639-648, 2007.
15. 15. Weber, A.Z. ve Newman, J., Modeling gas-phase flow in porous media, International Communications in Heat and Mass Transfer, 32(7), 855-860, 2005.