多通道SOFC内部传递过程研究与数值分析

摘要

作为一种新型能源转换装置，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有清洁、高效和燃料使用广泛等优点，已成为当前研发的热点。然而，由于其运行伴随着复杂的物理化学过程，如质量传输、热量传输、电流传输、电化学反应等，人们用实验方法难以全面分析SOFC内部的运行机理及传递过程。因此，采用数值方法对SOFC进行电化学及传递过程耦合分析具有重要的意义。
　　以目前实际生产的某种平板式阳极支撑SOFC单电池为原型，按照其结构尺寸和材料参数建立了完整的多通道SOFC的三维稳态几何数学模型，并描述发生在多通道SOFC内的电化学反应，以及质量、动量、能量和电荷（电子和氧离子）等多物理场传递过程。通过商业CFD软件(Ansys/Fluent14)以及自编UDF(userdefined function)进行模拟计算，把计算结果与同条件下实测的实验数据进行对比，验证了模型的准确性和合理性。分析和讨论了电池内温度、气体成分和电流密度等物理量的分布规律以及通道内流速、流量的情况。进一步对比分析了三种不同流向结构（顺流、逆流和交叉流）以及温度和流量等因素对多通道SOFC内部传递过程和工作性能的影响。
　　通过分析发现，相同操作条件下，顺流和逆流方式单电池的性能明显优于交叉流方式;逆流方式在燃料出口处温度梯度最大，造成很大的热应力，不利于电池的使用寿命;尽管每个通道进口具有完全相同的初始条件，但由于电化学反应的不均衡，使得气体温度、流速、流量和气体成分在各个通道内的分布不同;电流密度在SOFC内分布也不均衡，其极大值出现在阴极肋片和气体通道下方的位置，并且阴极侧的电流密度远远大于阳极侧，大的电流密度造成该处过电势和电阻热增大，不利于电池的性能和使用寿命;每个SOFC的单通道单元横截面的平均电流密度分布也不同，靠近中间的单元平均电流密度最大，边缘侧单元的最小;并且沿燃料流动方向，各截面的平均电流密度呈现出先增大后减小的分布规律，这是由温度和气体成分浓度的分布规律决定的;另外温度和流量对SOFC的工作性能和传递过程都有很大的影响。

目录

声明

创新点摘要

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展

1．2．1 SOFC的工作机理

1．2．2 SOFC单电池的结构

1．2．3 SOFC的基本组成及材料

1．2．4 SOFC的历史与发展现状

1．3 SOFC相关研究现状

1．3．1 SOFC传递过程模型

1．3．2 SOFC传递过程与电化学耦合模型

1．3．3 自开发／商业软件研究

1．3．4 实验手段

1．3．5 研究中主要问题与不足

1．4 论文选题意义与研究内容

第2章 SOFC内电化学反应和传递过程机理

2．1 电化学反应机理

2．1．1 Nernst电动势

2．1．2 电极的极化过程及损失

2．2 SOFC内的传递过程机理

2．2．1 质量传递过程

2．2．2 动量传递过程

2．2．3 能量传递过程

2．2．4 电子和离子传递过程

2．3 小结

第3章 SOFC模型及求解方法

3．1 几何模型

3．2 数学模型

3．2．1 电化学模型

3．2．2 质量守恒方程

3．2．3 动量守恒方程

3．2．4 能量守恒方程

3．2．5 组分守恒方程

3．2．6 电子和离子传递

3．3 边界条件和物性参数

3．4 计算方法和步骤

3．4．1 计算方法

3．4．2 网格生成

3．4．3 Ansys／Fluent软件介绍

3．5 小结

第4章 平板式SOFC模型验证实验

4．1 实验方案设计

4．2 实验方法

4．3 实验结果及误差分析

4．3．1 测试结果

4．3．2 实验误差来源和不确定度分析

4．4 小结

第5章 多通道SOFC多物理场耦合模型的模拟结果与分析

5．1 模型的模拟结果与实验数据的对比

5．2 计算结果分析

5．2．1 电池内部温度场分布

5．2．2 通道内速度场分布

5．2．3 气体通道内质量流量分布

5．2．4 电池内部气体成分分布

5．2．5 电流密度分布

5．3 各物理量相互影响机理分析

5．4 小结

第6章 SOFC内传递过程的主要影响因素与分析

6．1 气体流向对传递过程的影响

6．1．1 不同流动方式的温度场分布

6．1．2 不同流动方式的速度场分布

6．1．3 不同流动方式的气体质量流量分布

6．1．4 不同流动方式的气体成分分布

6．1．5 不同流动方式的电流密度分布

6．2 进口温度对传递过程的影响

6．3 进口流量对传递过程的影响

6．4 小结

第7章 结论和展望

7．1 本文总结

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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