多组分气体在多孔电极中扩散的研究

摘要

固体氧化物燃料电池是一种新型的、高效的能量转换装置，对减缓全球化石能源短缺问题具有非常重要的作用。因此，提高固体氧化物燃料电池的工作效率很有意义。固体氧化物燃料电池内主要存在三大损失为：欧姆极化损失、活化极化损失以及浓差极化损失，由于气体在多孔电极内扩散产生的浓差极化损失是影响电池效率的一种非常重要的损失，因此，研究气体在多孔电极内的扩散机理对减少电池的浓差极化损失，提高SOFC的工作效率已经成为一大热点问题。基于以上内容，本文的主要研究工作如下：
　　（1）基于精确的尘气模型（DGM）的简化二维理论，推导出了N2-O2双组分气体通过多孔电极的扩散系数与电极两侧氧气分压之间存在的对应关系，并采用实验的方法直接测量N2-O2的双组分气体扩散通过多孔电极的有效扩散系数，考察了电极的孔隙率、实验温度对气体有效扩散系数的影响，并简单分析了三元以上气体系统的扩散理论。结果表明，提高电极的孔隙率对提高气体的有效扩散系数具有非常重要的作用，同时提高实验温度也能够提高气体有效扩散系数，但是温度过高会产生电极烧结等缺陷。
　　（2）基于实验测量的气体有效扩散系数，系统分析了电极厚度、电极孔隙特性、工作电流等对浓差极化损失的影响，并综合所有实验参数选择出了最优的参数组合。结果表明，电极厚度越小、电极孔隙率越大、弯曲度越小、工作电流密度越小均可以减小电极的浓差极化损失。最优的参数组合：厚度200μm，电极孔隙率0.4，曲折度2.64，操作温度650℃。
　　（3）借助comsol软件简单模拟了气体通过多孔电极的过程，并将模拟结果与实验结果进行了简单的分析对比，此外还对SOFC的单电池建立了三维模型，对其工作的实时状态进行模拟，并根据前面的实验数据改变了电极的属性，对电池的性能状况、气体传质过程、电流密度分布等进行了一系列研究。结果表明，气体扩散的模拟修正值与实验值吻合的较好；当孔隙率在40%左右时，以氢气为燃料的SOFC单电池表现出很好的气体扩散和电流传导特性，相应的输出电压、功率密度等也较高。

目录

声明

1 绪论

1.1 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述

1.2 SOFC中的气体输运及扩散原理

1.3 多孔电极中的气体扩散模型

1.4 燃料电池领域常见的气体有效扩散系数测量装置

1.5 本论文选题及主要内容

2 多组分气体N2-O2在多孔电极中的有效扩散系数的实验测量

2.1 引言

2.2 阴极侧气体有效扩散系数的理论基础

2.3 实验部分

2.4 实验结果与讨论

2.5 三种及以上多组分气体在多孔电极中扩散的简单理论

2.6 本章小结

3 多孔电极的浓差极化的特性研究

3.1 引言

3.2 浓差极化损失的研究方法

3.3 结果与讨论

3.5 定量分析实验相关参数的微变化对浓差极化的影响

3.4 本章小结

4 多组分气体在多孔电极中的扩散的模拟研究

4.1 引言

4.2 多孔电极内扩散过程的模拟

4.3 单电池SOFC的工作过程的模拟

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢