توصيفگر ها :
سلول سوختي اكسيد جامد , تئوري تابعي چگالي , شبيه سازي در مقياس ميكروسكوپي و ماكروسكوپي , نرم افزار كامسول , الكتروليت جامد , ميكروسينتيك , الكتروشيمي , يادگيري ماشين
چكيده فارسي :
سلولهاي سوختي اكسيد جامد (SOFC) به عنوان يكي از فناوريهاي پيشرفته در توليد انرژي پاك، به دليل راندمان بالا و قابليت استفاده از سوختهاي متنوع، مورد توجه محققان قرار گرفتهاند. با اين حال بررسي دقيق عملكرد اين سلولها نيازمند درك همزمان از فرآيندهاي حاكم در مقياسهاي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي است. در اين پژوهش از تركيب شبيهسازيهاي كوانتومي و پيوسته با هدف تحليل جامع رفتار SOFC استفاده شد. در مقياس ميكروسكوپي، با بهرهگيري از نظريه تابعي چگالي (DFT) پديده نفوذ اكسيژن در الكتروليت جامد زيركونيا بررسي شد. پس از اعتبارسنجي ساختار منوكلينيك، شش مسير نفوذي با سه حالت مختلف دوپينگ (در مجموع 18 پيكربندي) طراحي گرديد. نتايج نشان داد كه افزودن عنصر اسكانديوم ميتواند انرژي فعالسازي نفوذ را تا 45 درصد در ساختار منوكلينيك و در تركيب با ايتريم در ساختار مكعبي تا بيش از 50 درصد كاهش دهد. همچنين محل قرارگيري دوپكننده تأثير قابلتوجهي بر ميزان كاهش سد انرژي دارد. محاسبه انرژي تشكيل جايخالي نيز نشان داد كه دوپينگ با اسكانديوم ميتواند اين انرژي را بهشدت كاهش دهد و حتي در برخي سايتها آن را منفي نمايد كه نشاندهنده پايداري بالاي نقصهاي ساختاري حاصل است. در ادامه بهمنظور تحليل واكنشهاي سطحي آند، يك مدل ميكروسينتيك شامل 9 واكنش بنيادي بر پايه سطح نيكل توسعه داده شد. شبيهسازيهاي DFT نشان دادند كه دوپينگ نيكل با پلاتين منجر به كاهش سد انرژي واكنشها شده و واكنش تشكيل گونه OH (O+H→OH) به عنوان واكنش كنترل كننده سرعت فرآيند شناسايي شد. در بخش ماكروسكوپي، با استفاده از روش المان محدود در محيط نرمافزار COMSOL Multiphysics، يك مدل سهبعدي جامع از SOFC توسعه داده شد. در اين مدل متغيرهايي نظير دما، درصد تخلخل، تركيب گازهاي ورودي و افت فشار در آند و كاتد بهصورت جامع بررسي شدند. تحليل 324 حالت مختلف نشان داد كه بيشينه توان خروجي با افزايش درصد تخلخل، اكسيژن و افت فشار افزايش يافته و با افزايش دما و درصد هيدروژن رابطه معكوس دارد. شرايط بهينه شامل دماي 800 درجه سانتيگراد، تخلخل 50 درصد، افت فشار آند 6 پاسكال، افت فشار كاتد 9 پاسكال، درصد وزني هيدروژن 7/0 و اكسيژن 3/0 منجر به بيشينه توان 2423 وات بر متر مربع گرديد. بهمنظور كاهش هزينه محاسباتي و توسعه يك مدل پيشبيني دقيق، از روشهاي يادگيري ماشين شامل شبكه عصبي عميق، گراديان تقويتي، رگرسيون بردار پشتيبان و رگرسيون حداقل مربعات استفاده شد. نتايج نشان دادند اين مدلها قادرند بهخوبي رابطه ميان متغيرهاي عملياتي و توان خروجي را پيشبيني كنند. در پايان تأثير هدايت يوني در مقياس ميكروسكوپي بر رفتار كلي سلول بررسي شد. محاسبه هدايت يوني الكتروليت ScSZ و مقايسه آن با YSZ نشان داد كه تغييرات در سطح ميكروسكوپي ميتواند بهطور مستقيم بر فرآيندهاي انتقال جرم و واكنشهاي الكتروشيميايي در مقياس ماكروسكوپي اثرگذار باشد. اين يافتهها ميتوانند در طراحي بهينه و توسعه نسلهاي جديد SOFC نقش مهمي ايفا كنند.
چكيده انگليسي :
Solid oxide fuel cells (SOFCs), a prominent technology for clean energy generation, have attracted considerable attention due to their high efficiency and fuel flexibility. However, accurately assessing their performance requires a simultaneous understanding of the governing processes at both microscopic and macroscopic scales. In this study, a combination of quantum and continuum simulations was employed to provide a comprehensive analysis of SOFC behavior. At the microscopic scale, the phenomenon of oxygen diffusion in zirconia-based solid electrolyte was investigated using density functional theory (DFT). After validating the monoclinic structure, six diffusion pathways were designed with three different doping conditions, resulting in a total of 18 configurations. The results showed that doping with scandium in the monoclinic structure reduced the activation energy for diffusion by up to 45%. When scandium was combined with yttrium in the cubic structure, the reduction exceeded 50%. The location of the dopant was also found to significantly influence the reduction of the energy barrier. Furthermore, calculations of the vacancy formation energy calculations also indicated that scandium doping substantially decreases this energy. In some sites, this energy became negative, which indicates a high stability of the resulting structural defects. Subsequently, to analyze the anodic surface reactions, a microkinetic model consisting of nine elementary reactions was developed for the nickel surface. DFT simulations revealed that platinum doping of nickel reduces the activation barriers for surface reactions. The OH formation reaction (O + H → OH) was identified as the rate-determining step. At the macroscopic level, using the finite element method in COMSOL Multiphysics, a comprehensive 3D model of SOFC was developed. This model analyzed variables such as temperature, porosity, inlet gas composition, and pressure drop in both anode and cathode. An evaluation of 324 different operating conditions showed that the maximum power output increases with porosity, oxygen concentration, and pressure drop, but decreases with increasing temperature and hydrogen concentration. The optimal conditions, 800°C temperature, 50% porosity, 6 Pa anode pressure drop, 9 Pa cathode pressure drop, 0.7 wt% hydrogen, and 0.3 wt% oxygen, yielded a maximum power density of 2423 W/m². To reduce computational cost and develop an accurate predictive model, various machine learning techniques, including deep neural networks, gradient boosting, support vector regression, and least squares regression, were employed. Results demonstrated that these models could effectively predict the relationship between operating parameters and power output. Finally, the influence of ionic conductivity at the microscopic scale on overall cell behavior was examined. Ionic conductivity of ScSZ electrolyte was calculated and compared to that of YSZ, confirming that microscopic-level variations can directly affect mass transport and electrochemical reactions at the macroscopic scale. These findings have significant implications for the optimal design and development of new generations of SOFCs.