การใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อวิเคราะห์การ สูญเสียศักย์ไฟฟ้าจากความเข้มข้นของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

Abstract

งานวิจัยนี้มุ่งใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการถ่ายเทมวลสาร (mass transfer) และความยาวของสภาวะขอบสามเฟส (triple-phase-boundary length) เพื่อทำนายคุณสมบัติโครงสร้างภายในขั้วแอโนดที่เหมาะสม ที่มีผลถึงประสิทธิภาพขั้วแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง (solid oxide fuel cell) ซึ่งเชื่อมโยงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของสภาวะขอบสามเฟสกับค่าการสูญเสียศักย์ไฟฟ้าจากความเข้มข้น (concentration overpotential)โดยใช้สมการการแพร่ของฟิค (Fick diffusion equation) และสมการสเตฟาน- แม็คเวลล์(Stefan-Maxwell”equation) เป็นเครื่องมือในการอธิบายปริมาณสัดส่วนเชิงโมล ของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (H2) และคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ภายในขั้วแอโนด ที่อุณหภูมิ 750 องศาเซลเซียส ความดัน 1 บรรยากาศ และใช้สมการเชิงเรขาคณิตทำการวิเคราะห์ถึงความ-ยาวและรอยต่อของสภาวะขอบสามเฟสภายในขั้วแอโนด โดยเลือกคำนวณที่ขนาดอนุภาคภายในขั้วแอโนดตั้งแต่ 0.25 ถึง 6.0 ไมโครเมตร และค่าสัดส่วนความพรุนตั้งแต่ร้อยละ 10 ถึง 90 พบว่าขนาดอนุภาคภายในขั้วแอโนดและค่าสัดส่วนความพรุนมีผลต่อค่าการสูญเสียศักย์ไฟฟ้าจากความเข้มข้นของเซลล์เชื้อเพลิงและความยาวของสภาวะของสามเฟสต่อหน่วยปริมาตร (volume specific triple-phase-boundary length) ผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่าขั้วแอโนดจะมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ค่าสัดส่วนความพรุนอยู่ในช่วงร้อยละ 50 ถึง 60 ที่ขนาดอนุภาคภายในขั้วแอโนด 1.0 ถึง 2.0 ไมโครเมตร ดังนั้นการกำหนดลักษณะโครงสร้างที่เหมาะสมของขั้วแอโนดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งให้มีประสิทธิสูงสุด สามารถทำได้ด้วยการควบคุมค่าสัดส่วนความพรุน ขนาดของอนุภาคภายในขั้วแอโนด และขนาดของรัศมีรูพรุนเฉลี่ยของระบบ