管式固体氧化物燃料电池跨尺度多物理场耦合数值分析优化

摘要

随着全球经济总量的不断提高，传统的燃烧化石燃料提供动力的方式给环境造成了巨大的压力，而固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以避开燃烧过程、不受卡诺循环限制而直接把燃料内的化学能转化为电能的设备，具有高效率和低排放的优势，属于与环境兼容的新能源技术。
　　研究以管式SOFC为对象，在电池单元尺度层面上，建立了一个多物理场耦合模型来研究电池构型对其性能的影响。模型中考虑了集流件与电极间的接触电阻，耦合了电子导电过程、离子导电过程、气体输运过程以及电化学反应过程。计算结果表明:通过适当提高运行温度和电极电导率，同时降低电极孔隙率、接触电阻和输出电压有利于SOFC性能的提升;特别当温度较低、阴极电导率较小、阴极孔隙率较大、输出电压较低时，阴极支撑型管式SOFC性能优于阳极支撑型管式SOFC，这也是传统主流采用阴极支撑型设计的原因。
　　然而，一方面，阴极支撑型实际应用中会面临一些限制其性能进一步提升的不利因素，另一方面，阳极支撑型在浓差损失和燃料利用率等方面相对阴极支撑型占优，加之近年来SOFC出现了有利于阳极支撑的新集流件设计，都为阳极支撑型的发展带来了可能。
　　阳极支撑型设计需要合理的管道外侧空气分配方案与之配套，故在电池堆大尺度层面，区别于传统的以阴极支撑型为主的电堆设计，针对阳极支撑型建立了电堆内空气流场模型。计算分析多种设计方案，综合考虑各结构参数对空气流场影响，包括进出口管直径、进出口管数、进出口管布置位置、流通截面、单电池间距等，对多种方案的堆内空气流场各区域进行整体分析和优化设计，在此基础上提出了一种阳极支撑型电堆的新型的空气分配设计方案。
　　新型空气分配器特点如下:(1)沿SOFC单元管长度方向在空气入口平均布置了3根管，从下侧面输送空气。对应的入口空气流量分入3个歧管，歧管内流速降为原来1/3，从而有利于提高SOFC单元间的空气分配均匀性;(2)分配器顶部相对于底部，入口侧相对于出口侧，均采用了截面缩窄的设计。通过增加流动路径流动阻力的方式，降低分配器左侧和顶部区域附近的空气静压强，避免过多的空气通过分配器的左侧和顶部绕过电池单元排列区未经反应直接流出，使更多的气流受迫进入电池单元区域，从而改善空气在电池单元间的空气分配质量;(3)沿SOFC单元管长度方向在电堆右侧空气出口布置了两排尾气收集管，每排的3根管，从上到下管径由小到大变化，具有阻力减小的特性，使得分配器右侧的尾部收集区压力从上到下压力增加的问题得到缓解;(4)入口主管道系列歧管和出口尾气收集系列歧管，两者排列方向呈相互垂直特性，使空气在电堆中的流动兼顾了纵向和横向的均匀性，从而改善了空气在电池单元间及SOFC单元表面的空气分配质量;(5)空气分配器除入口处那个角，其余3个角用圆弧设计。圆弧设计减少了空气流动在分配器直角处的局部压力损失，使空气从入口到出口流动更连续，非电池排列区的空气更多参与电池排列区的反应，提高了空气利用率，减少了空气泵入功;(6)通过调整分配器左窄右宽，上窄下宽，尾气收集管径大小比例，调整空气路径各段流动阻力，达到入口空气各歧管的均匀输入和出口尾气各收集歧管均匀输出。对电池堆的计算结果显示，最终优化方案相比目前的一进一出空气分配方案，各主截面内速度标准偏差从4.0401降为0.9915，无量纲的质量流量比从0.5以上占38.1％提升到0.5以上占87.2％，实现了电堆中空气较均匀分配。
　　与现有技术相比，此空气分配器可为阳极支撑型管式电堆提供可靠的空气分配质量，解决了其实用化面临的技术难题之一，为研发高性能管式SOFC电堆提供了重要的技术支持。

目录

声明

摘要

术语

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 燃料电池发展历程

1．3 固体氧化物燃料电池(SOFC)概述

1．3．1 SOFC基本原理

1．3．2 SOFC常见类型

1．3．3 SOFC部件材料

1．4 管式SOFC研究现状

1．4．1 管式SOFC发展综述

1．4．2 管式SOFC数值计算综述

1．5 主要研究内容

第2章 管式SOFC多物理场耦合理论基础及数值模型

2．1 SOFC的数值计算理论基础

2．1．1 SOFC的理想电压

2．1．2 SOFC的伏安特性

2．1．3 动量、能量、质量守恒方程

2．2 管式SOFC多物理场耦合数值模型

2．2．1 电化学模型

2．2．2 传质模型

2．2．3 传热模型

2．3 计算流体力学求解过程

2．4 本章小结

第3章 管式SOFC电极构型的分析研究

3．1 管式SOFC的结构和三种电极构型的特点

3．2 管式SOFC多物理场耦合模型

3．2．1 几何模型

3．2．2 模型的输入参数

3．2．3 模型的边界条件

3．2．4 模型输出的伏安特性曲线及校验

3．3 计算结果与讨论

3．3．1 阴极支撑型内部的流体及电流传输过程

3．3．2 阳极支撑型内部的流体及电流传输过程

3．3．3 运行温度的影响

3．3．4 电导率的影响

3．3．5 孔隙率的影响

3．3．6 接触电阻的影响

3．3．7 输出电压的影响

3．4 本章小结

第4章 管式SOFC堆结构的分析研究

4．1 管式SOFC堆电池单元构型的选择

4．2 管式SOFC堆的三维空气流场模型

4．2．1 模型的几何尺寸和输入参数

4．2．2 管式SOFC堆模型

4．2．3 表征参数

4．3 计算结果和讨论

4．3．1 一进一出直线型气道流场

4．3．2 一进一出Z型气道流场

4．3．3 二进二出Z型气道流场

4．3．4 二进二出U型气道流场

4．4 本章小结

第5章 管式SOFC电堆空气分配的优化设计方案

5．1．1 电堆设计模型的演化规律

5．1．2 一进一出直线型和二进二出U型的对比分析

5．2 新型阳极支撑管式SOFC堆的模型计算

5．3 优化结果讨论

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

发表论文及参研项目