中溫固體氧化物燃料電池多物理場模擬與性能優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池尤其是中溫平板式固體氧化物燃料電池被認為是最有商業(yè)化前景的燃料電池，它是一種清潔、高效的化學(xué)能到電能轉(zhuǎn)化裝置。除了一般燃料電池高能源轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)點外，相比于低溫燃料電池，固體氧化物燃料電池一個突出優(yōu)點是它可以直接使用傳統(tǒng)化石能源或生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換出來的碳氫化合物做為燃料。要達到商業(yè)化的要求，固體氧化物燃料電池還需要在降低制造成本，提高單電池、電池堆性能，延長使用壽命等方面有進一步的突破。 固體氧化物燃料電池實驗研

2、究周期較長，花費高，在提高電池性能方面的研究中一般只能針對某幾個參數(shù)進行非連續(xù)的少量采點的調(diào)整優(yōu)化，以獲得更高的性能。理論研究可以對各個可能影響電池性能的參數(shù)進行細密的采點優(yōu)化，更加快速地獲得最優(yōu)工程設(shè)計方案。有限元方法與現(xiàn)代汁算機技術(shù)結(jié)合的數(shù)值模擬方法使我們能夠?qū)θ剂想姵剡@種復(fù)雜的多物理體系進行耦合模擬，給出實驗方法無法測量到的電池內(nèi)部運行細節(jié)，進行快速的優(yōu)化設(shè)計。 本論文的主要內(nèi)容是使用有限元方法為中溫固體氧化物燃料電池建立

3、二維、三維模型，給出電池運行時內(nèi)部的電勢，電流密度，各氣體成分的濃度等物理場的分布，并以提高電池堆性能為目標對電池的相關(guān)幾何參數(shù)進行合理的優(yōu)化。 本論文共有六章，前兩章分別介紹了研究對象固體氧化物燃料電池和本論文建模過程中采用的理論方法和模擬工具。第三章開始到第五章介紹了三個模擬工作，第三章是關(guān)于常規(guī)固體氧化物燃料電池的二維電池堆模擬，第四章是關(guān)于多層電極固體氧化物燃料電池的二維單電池、電池堆模擬，第五章則是關(guān)于常規(guī)固體氧化物燃

4、料電池的三維模擬。第六章是本論文的總結(jié)。下面對各章的內(nèi)容做簡要的介紹。 第一章首先簡要回顧了固體氧化物燃料電池的研究背景和幾種常見結(jié)構(gòu)，接著對組成電池的各部分的材料進行了總結(jié)，然后又簡要分析了平板式電池堆的結(jié)構(gòu)。最后介紹了固體氧化物燃料電池的熱力學(xué)原理，電化學(xué)原理以及電池效率的評價方法。 第二章首先對關(guān)于固體氧化物燃料電池的理論模擬工作做了一個文獻綜述，接著對影響電池性能的各種電池內(nèi)部電壓損失進行了介紹，并給出了達到電勢

5、平衡的模型設(shè)置方式。然后詳細描述了物質(zhì)傳輸?shù)母鞣N方式以及理論模型。本章最后介紹了有限元多物理場模擬工具COMSOL。 第三章為平板式SOFC電池堆建立的二維模型中考慮了連接板跟電極之間的接觸電阻，多孔介質(zhì)中氣體的傳輸，電池中的電子、離子導(dǎo)電，三相區(qū)的電化學(xué)反應(yīng)等過程。模擬結(jié)果提供了連接板對電極內(nèi)部的氣體傳輸以及電池中的電流密度分布的影響。基于對濃差極化和接觸電阻的歐姆損失的競爭關(guān)系，通過優(yōu)化計算，給出了各種接觸電阻以及各種氣道間

6、距的連接板的最優(yōu)連接板寬度。本章還對陰極層的厚度進行了優(yōu)化分析。 第四章對目前固體氧化物燃料電池工程制作上比較熱門的多層電極電池進行了二維多物理場模擬，對單電池以及電池堆內(nèi)的物理場分布進行了詳細的描述和分析。在電池堆模型的基礎(chǔ)上對影響電池堆性能的各種參數(shù)進行了優(yōu)化分析。 第五章考慮了電子、離子導(dǎo)電方程，物質(zhì)傳輸方程，電化學(xué)反應(yīng)，對電池堆內(nèi)沿燃料氣道方向半個循環(huán)單元進行了三維模擬?？紤]三維多物理耦合計算的復(fù)雜性，為減少由于