مقایسه استفاده از گازهای گرم‌کننده هیدروژن و متان در کانال آند در فرایند گرمایش دوکاناله پیل سوختی اکسید جامد

گرمایش دوکاناله که در آن گازهای هوا و سوخت به ترتیب به کانال‌های کاتد و آند تزریق می‌شوند، یکی از روش‌های رایج برای افزایش دمای پیل‌های سوختی اکسید جامد است. با‌‌‌‌ ‌این‌وجود، تاکنون تاثیر استفاده از گازهای گرم‌کننده در کانال آند بر عملکرد حرارتی این پیل‌های سوختی با هم مقایسه نشده است. در این پژوهش، فرایند گرمایش گذرای یک پیل سوختی اکسید جامد با استفاده از دو ترکیب هوا-هیدروژن و هوا-متان، به روش عددی حجم محدود شبیه‌سازی شده است. هدف از این مقایسه، ارزیابی عملکرد این ترکیب‌های گازی بر اساس دو شاخص کلیدی مدت‌زمان گرمایش و گرادیان دمایی در چند سرعت و نرخ‌ افزایش دمای گاز ورودی است. در ادامه، برای انتخاب پاسخ برتر از میان پاسخ‌های موجود، از روش تصمیم‌گیری چندشاخصه تاپسیس (topsis) بهره گرفته شده است. نتایج نشان می‌دهد که هیدروژن در فاصله‌ای کوتاه پس از ورود به کانال، گرمای خود را سریع‌تر به ساختار پیل سوختی منتقل می‌کند؛ در حالی ‌که انتقال حرارت هوا و متان در مسیر طولانی‌تری انجام می‌شود. همچنین، بیشینه گرادیان دما عمدتاً در نواحی نزدیک به ورودی گازها ایجاد می‌شود. علاوه بر این، مدت‌زمان گرمایش با ترکیب هوا-متان همواره کمتر از ترکیب هوا–هیدروژن است و این تفاوت در سرعت‌های ورودی پایین‌تر، قابل‌توجه‌تر است. از سوی دیگر، تاثیر نوع گاز گرم‌کننده بر بیشینه گرادیان دمایی وابسته به سرعت گاز ورودی است. در نهایت، از میان گزینه‌های بررسی‌شده، ترکیب هوا-هیدروژن با مدت‌زمان گرمایش 1290 ثانیه و بیشینه گرادیان دمایی 211 کلوین بر سانتی‌متر به‌عنوان گزینه برتر از دیدگاه روش تاپسیس انتخاب شده است

comparison of hydrogen and methane as heating gases in the anode channel during the dual-channel heating process of a solid oxide fuel cell

dual-channel heating، where air and fuel are injected into the cathode and anode channels، respectively، is a common method for increasing the temperature of solid oxide fuel cells (sofcs). however، the effects of heating gases in the anode channel on the thermal performance of sofcs have not been investigated. in this study، the heating process of an sofc is simulated using two combinations of air–hydrogen and air–methane through a transient model based on the finite volume method. the study aims to evaluate the performance of these gas combinations in terms of heating duration and temperature gradient، under various inlet velocities and gas heating rates. the technique for order of preference by similarity to ideal solution (topsis) multi-criteria decision-making method is then used to identify the optimal solution. the results indicate that hydrogen transfers heat to the cell structure more rapidly within a short distance after entering the channel. in contrast، air and methane distribute heat transfer over a longer flow path. moreover، the maximum temperature gradient predominantly occurs near the gas inlet regions. in addition، the heating duration with the air–methane combination is shorter than that of air–hydrogen، with the difference becoming more pronounced at lower inlet velocities. conversely، the effect of the heating gas type on the temperature gradient depends on the gas inlet velocity.  ultimately، the air–hydrogen combination، which results in a heating duration of 1290 s and a maximum temperature gradient of 211 k cm-1، is identified as the optimal choice according to the topsis method