固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将气体燃料的化学能通过电化学过程直接转化为电能和热能的清洁能源转换系统，可被运用于交通运输、分布式电站，具有广阔的工业化应用前景。电池堆是SOFC作为发电装置的核心工作单元，提高电池堆的发电效率、运行寿命对于SOFC产业化至关重要。工业化SOFC电池堆的工作特征非常复杂，流场、组分传输、质量传输、电荷传输、电化学、化学反应和热传输以强耦合的形式相互影响，共同决定了电池堆的性能。不同于实验室纽扣电池，电池堆中的流场、电化学和温度分布非常复杂，并且不同电池片之间的串联设计也导致电池堆的性能难以准确调控。利用传统实验方法在调控、优化工业化大型电池堆时，不仅耗时、成本高，而且难以准确把握耦合规律对性能的影响。随着计算机和软件技术的发展，SOFC多物理场全耦合模拟方法展现出强大的计算和分析能力，可以作为实验方法的替代和补充，用于优化、调控、设计SOFC核心部件。
　　本博士学位论文围绕发展SOFC工业化电池堆的多物理场全耦合模型以及性能分析展开。下面简单介绍各章的主要内容。
　　第一章首先介绍了固体氧化物燃料电池的背景、结构和工作特征，以及平板型固体氧化物燃料电池的应用前景和需要克服的技术问题。然后，对平板型固体氧化物燃料电池的多物理场全耦合模拟技术发展做了详细介绍，并重点指出工业化电池堆多物理场全耦合模拟的技术发展瓶颈。
　　第二章中首先介绍了工业化SOFC电池堆的全耦合模拟的必要性。随后，针对制约SOFC多物理场耦合模拟向电池堆尺度发展的几个主要问题，我们着力解决了关键性的算法和程序问题，包括:(1)改良多物理场耦合算法，降低模拟SOFC电池堆所需计算资源，(2)改良CFD软件，使其具备以全耦合的方式求解SOFC工业化电池堆稳态工况的计算能力。我们通过在CFD软件Fluent中嵌入解析算法cathode-rib方程以及自编多物理场耦合模块，成功地建立了适用于大型电池堆的SOFC电池堆耦合程序模块。该程序模块相比传统CFD软件将计算资源降低了一个数量级以上，并且大幅度提升了计算稳定性和收敛速度，为工业化电池堆多物理场全耦合模拟的实现奠定了算法和程序基础。
　　在第三章中我们中提出，SOFC多物理场耦合计算模块必须满足如下三方面要求:(1)具备传统CFD软件中SOFC模块的计算功能，即能够计算小体系模型。(2)准确性必须得到验证。(3)可以进一步优化计算资源，从而实现高效的电池堆三维全耦合计算。(4)降低电池堆耦合计算中调试的难度。本章中，针对这些要求展开一系列计算，用以验证模型准确性、优化网格设置，并发展了逐步耦合的具备高度稳定性的全耦合计算策略。
　　第四章中，我们成功地建立了世界上第一个具备完整结构、完全耦合求解的工业化(30层)SOFC平板电池堆模型，并对其进行性能分析。我们通过全耦合的模拟揭示大型工业化电池堆中稳态工况的各个细节，展示复杂的传输特征和模型强大的计算能力。并且，将模拟结果与传统简化算法进行对比，说明发展高精度的全耦合电池堆模型的必要性。
　　在第五章中，针对优化电池堆中流场分配的问题，我们首先创建预测气流分配均匀度的解析方法——衰减方程。通过对衰减方程的分析，我们发现SOFC电池堆运行特征非常容易诱发燃料流分配均匀度的衰减行为。而更进深入的分析则表明，存在一个和设计相关的杠杆因子，在衰减行为中扮演着放大或减弱衰减效应的作用。通过优化这个杠杆因子，我们可以高效地优化气流分配均匀度，在稳态工况下实现非常均匀的流场分配。随后，我们建立了一系列30层平板电池堆模型来验证理论预测的衰减行为。这些计算涵盖了从简单的冷流动模拟到SOFC稳态模拟，来确保验证的完备性。更重要的是，基于衰减方程的分析，我们获得了实现高均匀度流量分配的电池堆设计新标准和明晰的设计方向。最后，我们依据解析理论预测的设计方案重新建立了新的30层电池堆模型，其优异的高均匀度稳态工况同样被全耦合的模拟加以证实。至此，我们提出了改良SOFC电堆气道设计的方案——衰减方程和模拟相结合。这种方法在应用于具备‘气道-多歧管-子气道-多歧管-气道'结构特征的装置时，在优化气流分配均匀度上显示出极大的潜力和高效性。
　　第六章对本博士学位论文的研究内容进行了总结。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 固体氧化物燃料电池(SOFC)简介

1．2 固体氧化物燃料电池基本原理

1．3 SOFC多物理场耦合模拟的发展

1．4 本章总结

第二章 发展SOFC电堆多物理场耦合算法

2．1 发展全耦合模型的必要性

2．2 真实SOFC电堆性能计算的计算障碍

2．2．1 当前SOFC电堆模拟发展的瓶颈

2．2．2 电堆多物理场全耦合计算的复杂性

2．3 平板式SOFC电堆多物理场全耦合算法的革新

2．3．1 传统多物理场耦合算法的缺陷

2．3．2 适用于平板式SOFC电堆的cathode-rib算法

2．4 SOFC电堆多物理场耦合计算平台的建立

2．5 本章总结

第三章 发展平板式SOFC电堆模型

3．1 小体系SOFC的多物理场耦合计算

3．2 验证I-V曲线和电堆温度场

3．3 优化网格

3．4 适用于工业化电堆全耦合模拟的多步耦合策略

3．5 本章总结

第四章 建立多物理场全耦合的真实平板SOFC电堆数值模型

4．1 研究对象的选择

4．2 建立工业化SOFC电堆的高分辨率几何模型

4．3 电堆多物理场UDF的导入和边界条件设置

4．4 30层平板SOFC电堆稳态性能的求解与演示

4．4．1 氢氧电堆和甲烷电堆中组分和浓差极化分布的对比

4．4．2 甲烷电堆中的流场、温度场、电化学与组分分布

4．4．3 不同热边界下甲烷电堆的性能对比

4．5 全耦合式SOFC电堆模型和简化模型的对比

4．5．1 流场计算的对比

4．5．2 电堆传热简化计算的缺陷

4．5．3 IV解耦和极化场简化计算的局限

4．6 本章总结

第五章 SOFC电堆燃料利用率的天然短板效应和优化设计方案

5．1 本章背景

5．2 衰减方程的建立

5．3 SOFC电堆中均匀度衰减行为的分析

5．3．1 衰减方程中相关影响因素的分类

5．3．2 电化学反应对燃料流均匀度的影响

5．3．3 重整加速效应对燃料流均匀度的影响

5．3．4 电化学和重整反应的耦合对燃料流均匀度的影响

5．3．5 电池堆进口条件对流场均匀度的影响

5．3．6 杠杆因子α对燃料流均匀度的影响

5．4 全息耦合诊断

5．4．1 数值诊断1——电化学过程导致的均匀度衰减行为

5．4．2 数值诊断2——重整反应导致的均匀度衰减行为

5．4．3 数值诊断3——进口条件对均匀度衰减行为的影响

5．4．4 数值诊断4——高均匀度电堆模型的设计方案

5．5 本章总结

第六章 总结

参考文献

致谢

博士期间发表论文和专利