阳极支撑型固体氧化物燃料电池内多物理场传递过程的机理与数值分析

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种工作在600-1000℃，采用固态陶瓷材料作为传导氧离子电解质的能源转换装置。SOFC具有效率高、污染小、输出功率大、适用燃料广泛、只有气固两相介质、工作原理简单等优点，被认为是最有发展前途的燃料电池之一。阳极支撑型平板SOFC具有较厚的阳极，和相对较低的工作温度。本文建立的三维稳态的阳极支撑型SOFC单电池模型，可描述发生在SOFC内的多物理场过程，其中包括:甲烷蒸汽重整(MSR)、水汽转换反应(WGSR)和电化学反应，以及质量、动量、热量、电荷（电子和氧离子）等传递过程。通过商业CFD软件(Ansys/Fluent12.1)的模拟计算，辅以电流密度、电压与功率密度等试验数据验证，得到相对合理的计算结果，并分析和讨论温度、多孔介质参数，燃料种类、气体通道分布等因素对SOFC中宏观气体反应与传热传质过程的影响。此外以42步单向基元反应机理描述了发生在SOFC多孔阳极上催化材料Ni表面的内重整反应，在表面催化反应的层面上分析了SOFC阳极中多物理场之间的耦合关系。
　　 通过分析发现，如果用单电池的宏观气体反应模型，温度由进口侧沿主流道方向升高，其中出口侧靠近电解质的区域温度最高;阳极中的内重整反应主要发生在阳极顶部靠近气体通道的区域，为电化学反应提供了足够的H2同时消耗了电化学产生的H2O和热量;800℃时CH4的最大转换率只有59.1％，同时H2摩尔分数减少10％，电化学反应较强;电化学反应集中在电解质附近的区域，其中阴极与阳极电化学反应层分别为10um和20u m;SOFC中电流密度和电压分布不均匀，受到气体通道、不同区域的温度、气体浓度分布等影响;在给定0.7V的操作电压下，SOFC中总的过电势损失约0.3V，其中阳极和阴极侧的活化过电压分别占70％和20％;操作温度提高50℃，离子和电子电流密度（Iion和Ie）分别提高37.5％和28.6％，电化学和内重整反应加强;多孔介质单位体积表面积提高10倍，电流密度增加53％，电化学反应层厚度减半，活化过电压损失减少40％;如果燃料成分中CH4摩尔分数减少90％，MSR减弱、WGSR增强，温度升高6-10℃;表面催化反应计算结果模型显示Nis(65％)、COs(26％)、Hs(7％)和Os(1％)是几种主要的表面成分;温度增加、多孔介质渗透率增大都会促进Nis增加，Hs、COs等下降;不同的基元反应对整个内重整反应的温度、气体分布等会产生不同程度的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 燃料电池概述

1．2 固体氧化物燃料电池(SOFC)简介

1．3 阳极支撑型SOFC

1．4 SOFC相关研究现状的概述

1．4．1 传递过程模型

1．4．2 内重整反应机理模型

1．4．3 电化学反应机理模型

1．4．4 多尺度模型(Multi-scale model)

1．4．5 实验手段

1．4．6 其它方面的模型

1．4．7 研究中主要问题与不足

1．5 本文的主要工作概述

第2章 SOFC内反应机理与传递过程简介

2．1 内重整反应机理

2．1．1 宏观反应机理

2．1．2 微观反应机理

2．2 电化学反应机理

2．2．1 宏观反应机理

2．2．2 表面催化反应机理

2．3 SOFC内的传递过程

2．3．1 质量传递

2．3．2 动量传递

2．3．3 能量传递

2．3．4 电子和离子传递

2．4 传递系数

2．4．1 流体物性参数

2．4．2 质量扩散系数

2．4．3 导电／导离子率

2．5 小结

第3章 平板式阳极支撑型SOFC的多物理场传递模型

3．1 几何模型

3．2 控制方程

3．3 边界条件

3．4 其它单值性条件

3．4．1 初始条件

3．4．2 其他相关参数

3．5 计算流程与计算平台简介

3．5．1 计算流程

3．5．2 Ansys／Fluent软件以及相关模块简介

3．6 计算模型的模拟结果与实验数据的对比

3．7 小结

第4章 基于宏观电化学反应和内重整反应机理的SOFC模型(模型I)的模拟和结果分析

4．1 电流与电压分布

4．1．1 电流密度Ie和Iion的分布

4．1．2 过电压损失的分布

4．2 温度与化学组分的分布

4．2．1 温度分布

4．2．2 气体组分分布

4．2．3 反应速率分布

4．2．4 小结

4．3 温度的影响

4．3．1 温度对电流电压的影响

4．3．2 温度对反应气体组分分布的影响

4．4 多孔介质结构参数的影响

4．4．1 单位体积表面积(Ave)的影响

4．4．2 渗透率的影响

4．5 燃料成分的影响

4．6 流道布局的影响

4．7 小节

第5章 基于表面催化多步反应机理的SOFC阳极内重整模型(模型Ⅱ)的模拟和结果讨论

5．1 宏观气体组分的分布

5．2 表面成分的分布

5．3 温度的影响

5．4 多孔介质结构的影响

5．5 基元反应的影响

5．6 小结

第6章 结论和展望

6．1 本文总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介