固體氧化物燃料電池堆的多物理場全耦合建模和理論模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氣體燃料的化學(xué)能通過電化學(xué)過程直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能的清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可被運用于交通運輸、分布式電站，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。電池堆是SOFC作為發(fā)電裝置的核心工作單元，提高電池堆的發(fā)電效率、運行壽命對于SOFC產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。工業(yè)化SOFC電池堆的工作特征非常復(fù)雜，流場、組分傳輸、質(zhì)量傳輸、電荷傳輸、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和熱傳輸以強耦合的形式相互影響，共同決定了電池堆的性能。不同于實驗室紐扣電池，電

2、池堆中的流場、電化學(xué)和溫度分布非常復(fù)雜，并且不同電池片之間的串聯(lián)設(shè)計也導(dǎo)致電池堆的性能難以準(zhǔn)確調(diào)控。利用傳統(tǒng)實驗方法在調(diào)控、優(yōu)化工業(yè)化大型電池堆時，不僅耗時、成本高，而且難以準(zhǔn)確把握耦合規(guī)律對性能的影響。隨著計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展，SOFC多物理場全耦合模擬方法展現(xiàn)出強大的計算和分析能力，可以作為實驗方法的替代和補充，用于優(yōu)化、調(diào)控、設(shè)計SOFC核心部件。
　　本博士學(xué)位論文圍繞發(fā)展SOFC工業(yè)化電池堆的多物理場全耦合模型以及性能

3、分析展開。下面簡單介紹各章的主要內(nèi)容。
　　第一章首先介紹了固體氧化物燃料電池的背景、結(jié)構(gòu)和工作特征，以及平板型固體氧化物燃料電池的應(yīng)用前景和需要克服的技術(shù)問題。然后，對平板型固體氧化物燃料電池的多物理場全耦合模擬技術(shù)發(fā)展做了詳細介紹，并重點指出工業(yè)化電池堆多物理場全耦合模擬的技術(shù)發(fā)展瓶頸。
　　第二章中首先介紹了工業(yè)化SOFC電池堆的全耦合模擬的必要性。隨后，針對制約SOFC多物理場耦合模擬向電池堆尺度發(fā)展的幾個主要問題，

4、我們著力解決了關(guān)鍵性的算法和程序問題，包括:(1)改良多物理場耦合算法，降低模擬SOFC電池堆所需計算資源，(2)改良CFD軟件，使其具備以全耦合的方式求解SOFC工業(yè)化電池堆穩(wěn)態(tài)工況的計算能力。我們通過在CFD軟件Fluent中嵌入解析算法cathode-rib方程以及自編多物理場耦合模塊，成功地建立了適用于大型電池堆的SOFC電池堆耦合程序模塊。該程序模塊相比傳統(tǒng)CFD軟件將計算資源降低了一個數(shù)量級以上，并且大幅度提升了計算穩(wěn)定性和

5、收斂速度，為工業(yè)化電池堆多物理場全耦合模擬的實現(xiàn)奠定了算法和程序基礎(chǔ)。
　　在第三章中我們中提出，SOFC多物理場耦合計算模塊必須滿足如下三方面要求:(1)具備傳統(tǒng)CFD軟件中SOFC模塊的計算功能，即能夠計算小體系模型。(2)準(zhǔn)確性必須得到驗證。(3)可以進一步優(yōu)化計算資源，從而實現(xiàn)高效的電池堆三維全耦合計算。(4)降低電池堆耦合計算中調(diào)試的難度。本章中，針對這些要求展開一系列計算，用以驗證模型準(zhǔn)確性、優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置，并發(fā)展了逐步

6、耦合的具備高度穩(wěn)定性的全耦合計算策略。
　　第四章中，我們成功地建立了世界上第一個具備完整結(jié)構(gòu)、完全耦合求解的工業(yè)化(30層)SOFC平板電池堆模型，并對其進行性能分析。我們通過全耦合的模擬揭示大型工業(yè)化電池堆中穩(wěn)態(tài)工況的各個細節(jié)，展示復(fù)雜的傳輸特征和模型強大的計算能力。并且，將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)簡化算法進行對比，說明發(fā)展高精度的全耦合電池堆模型的必要性。
　　在第五章中，針對優(yōu)化電池堆中流場分配的問題，我們首先創(chuàng)建預(yù)測氣流分配

7、均勻度的解析方法——衰減方程。通過對衰減方程的分析，我們發(fā)現(xiàn)SOFC電池堆運行特征非常容易誘發(fā)燃料流分配均勻度的衰減行為。而更進深入的分析則表明，存在一個和設(shè)計相關(guān)的杠桿因子，在衰減行為中扮演著放大或減弱衰減效應(yīng)的作用。通過優(yōu)化這個杠桿因子，我們可以高效地優(yōu)化氣流分配均勻度，在穩(wěn)態(tài)工況下實現(xiàn)非常均勻的流場分配。隨后，我們建立了一系列30層平板電池堆模型來驗證理論預(yù)測的衰減行為。這些計算涵蓋了從簡單的冷流動模擬到SOFC穩(wěn)態(tài)模擬，來確保驗

8、證的完備性。更重要的是，基于衰減方程的分析，我們獲得了實現(xiàn)高均勻度流量分配的電池堆設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)和明晰的設(shè)計方向。最后，我們依據(jù)解析理論預(yù)測的設(shè)計方案重新建立了新的30層電池堆模型，其優(yōu)異的高均勻度穩(wěn)態(tài)工況同樣被全耦合的模擬加以證實。至此，我們提出了改良SOFC電堆氣道設(shè)計的方案——衰減方程和模擬相結(jié)合。這種方法在應(yīng)用于具備‘氣道-多歧管-子氣道-多歧管-氣道'結(jié)構(gòu)特征的裝置時，在優(yōu)化氣流分配均勻度上顯示出極大的潛力和高效性。
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