平板型固体氧化物燃料电池堆结构多场耦合模拟与分析

摘要

固体氧化物燃料电池 SOFC是最有应用前景的电能产生装置之一。以往的SOFC研究都是基于单极（燃料或者空气）气道的研究，对SOFC工作过程作了很多的简化，其中最重要的电化学反应也经常不被考虑在内。但是SOFC工作过程中同时会涉及到电化学、流动、传质、传热以及导电等复杂的多场耦合过程。电化学反应引起的反应物生成/消耗必然对SOFC内部的流动、热量分布，乃至最终的电堆性能产生较大的影响。作为国家自然基金项目的主要研究内容之一，本论文以Jülich公司的平板型电堆结构设计方案为基础，开展电堆的三维大尺度建模分析优化工作。并尝试建立3维电堆全尺寸（主管道、阴极、电解质、阳极、连接体等所有部件）流动、传热、传质多场耦合的大尺度分析模型。本文的主要研究工作如下：
　　1.首先在对典型SOFC电池堆内部流动、传质、传热、导电和电化学反应等工作过程的守恒和相互关系以及计算流体力学CFD方法在SOFC电池堆模拟分析中的应用深入理解的基础上，分析了SOFC电池单元内不同连接体固体脊条（rib）结构对电池内部反应物传输和电化学反应分布的影响；
　　2.在Jülich研究中心提出的典型平板型SOFC电堆结构的基础上，分别针对传统矩形连接体rib结构、离散对称圆柱形结构和离散错列圆柱形连接体结构建立了对应的3维10层SOFC模块化短堆气道模型，通过CFD模拟对比分析三种设计方案的优劣。并通过在阴极流道模型中进一步考虑多孔阴极结构、简单物质和热量生成/消耗的影响，对分析结果做进一步验证。结果表明，不同的连接体形貌设计对堆层面的流体分布均匀性影响较小；结合使用传统矩形rib结构构建阳极燃料流道，并使用离散对称圆柱形rib结构构建阴极空气流道将得到最佳的电堆整体工作性能；
　　3.针对20层SOFC模块化电堆的完整结构进行3维数值建模。模型结构包括流道主管道、阴极、电解质、阳极、连接体等全电池部件。模型尝试综合考虑流体、传质、传热及电化学反应的耦合影响。并从电池堆流量均匀性和rib气道间的流量分布质量两个角度分析了不同部件结构尺寸对电堆性能的影响，另外重点分析了改变主管半径和集管宽度对电堆内部温度分布的影响，结果显示使用主管半径 r=6 mm，集管宽度 H=10 mm的空气流道尺寸能够得到更好的电堆性能和较低的温度梯度，最后总结了20层SOFC短电堆的完整电堆模型模拟的重要意义。
　　本论文针对SOFC短电堆的大尺度建模分析优化工作是SOFC数值模拟研究的一个重要突破，它将有助于SOFC全面商业化飞速发展。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池发展历程

1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）

1.4 SOFC国内外研究现状

第2章 SOFC数值模型和CFD模拟方法

2.1 SOFC数值模型

2.2 SOFC气道流动状态的定义

2.3 计算流体力学（CFD）方法

2.4 本论文所用到的软件介绍

第3章 10层SOFC短堆rib结构模拟分析

3.1 研究意义

3.2 模型和理论

3.3 结果和讨论

3.4 本章总结

第4章 SOFC电池堆流动-传热-传质-电化学多物理场耦合模拟分析

4.1 研究内容及意义

4.2 20层SOFC电池堆模型建立

4.3 多物理场数值模型及CFD设置

4.4 结论与分析

4.5 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢