用格子Boltzmann方法分析燃料電池陽極的三維結(jié)構(gòu)和性能.pdf

1、格子Boltzmann方法屬于介觀模型，它是介于宏觀連續(xù)性模型和微觀分子動力學(xué)模型之間的一種流體模擬的新方法。流體是由大量粒子組成的離散系統(tǒng)，每個粒子作無規(guī)則的熱運動，并且粒子之間通過頻繁的相互碰撞交換動量和能量。格子Boltzmann方法將流體離散成一系列的流體粒子，物理區(qū)域離散成一系列的格子，時間離散成一系列的時間步長。通過研究局部粒子分布函數(shù)的時空演化來描述分子的統(tǒng)計行為和獲得宏觀物理量。格子Boltzmann方法在許多領(lǐng)域，如多

2、孔介質(zhì)流、化學(xué)反應(yīng)流、生物流體、微納米尺度流等，都取得了出色的研究成果。固體氧化物燃料電池的陽極是微納米尺寸的多孔介質(zhì)，而且陽極的多孔結(jié)構(gòu)直接影響著燃料氣體和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的擴散，從而影響了固體氧化物燃料電池的電化學(xué)性能?；诤戏蕠彝捷椛鋵嶒炇医ㄔO(shè)的硬X射線顯微成像實驗平臺，我們成功獲得了固體氧化物燃料電池電極的三維結(jié)構(gòu)，并逐漸建立了一套比較系統(tǒng)的分析方法。本論文開展的主要工作有以下幾個方面:
　　 1.硬X射線成像站的主要

3、光學(xué)器件設(shè)計參數(shù)和顯微成像系統(tǒng)準直模擬
　　 介紹了國家同步輻射實驗室U7A實驗站上的nano-S100成像系統(tǒng)主要光學(xué)器件的設(shè)計參數(shù)。描述了硬X射線成像系統(tǒng)在實驗前期的光路調(diào)節(jié)過程以及存在的一些問題。用費馬原理結(jié)合光線追跡方法分別模擬了X射線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)橢球聚焦鏡后在物平面和像平面上的光斑分布，同時分析了調(diào)光過程中旋轉(zhuǎn)橢球聚焦鏡平移、傾斜對成像光斑分布的影響，并利用模擬結(jié)果指導(dǎo)成像系統(tǒng)的準直和調(diào)試。X射線成像系統(tǒng)調(diào)節(jié)模擬為實際的實

4、驗操作提供了有效的指導(dǎo)，有利于提高光路調(diào)節(jié)的工作效率。
　　 2.固體氧化物燃料電池陽極三維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連通性和粒徑大小分析
　　 利用X射線成像系統(tǒng)獲得Ni-YSZ陽極的一系列投影圖，用反投影重建軟件和Amira軟件可以得到分割出Ni，YSZ，Pore三相后的三維結(jié)構(gòu)，并發(fā)展三維數(shù)據(jù)分析方法，分析了各相的連通性以及連通相和非連通相的體積分數(shù)。只有輸運氣體的孔隙、輸運離子的YSZ和輸運電子的Ni三相都是連通的，才能保證三相

5、界面處的化學(xué)反應(yīng)能夠持續(xù)地進行下去。因此，各相連通性等三維結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠反映固體氧化物燃料電池陽極的性能。
　　 介紹了利用格子Boltzmann方法如何分析固體氧化物燃料電池陽極的三維結(jié)構(gòu)，并發(fā)展了相關(guān)軟件。基于納米CT成像技術(shù)獲得的Ni-YSZ陽極的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建每個體素的D3Q19模型，由此在三維空間就形成了一套自洽的方向矢量。這些方向矢量可以測量各相顆粒的特征直徑，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和一系列公式推導(dǎo)可以得到各相粒徑分布。研

6、究各相粒徑分布可以為優(yōu)化陽極的三維結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。
　　 3.格子Boltzmann方法模擬Ni-YSZ陽極中的氣體擴散
　　 固體氧化物燃料電池性能與電池中的氣體傳輸密切相關(guān)，在三相界面處反應(yīng)物的耗盡或者生成物的聚積將致使電池性能下降。用格子Boltzmann方法模擬Ni-YSZ陽極內(nèi)部的氣體擴散過程，能夠更真實地反映氣體在陽極三維結(jié)構(gòu)中的分布情況和濃差極化的大小等。
　　 介紹了格子Boltzmann方法模擬二

7、維結(jié)構(gòu)單一氣體擴散、二維結(jié)構(gòu)三種氣體擴散和三維結(jié)構(gòu)三種氣體擴散的物理模型、計算公式、程序設(shè)計以及模擬結(jié)果。并且對具有不同連通孔隙率的Ni-YSZ陽極結(jié)構(gòu)進行了模擬，比較了不同的Ni-YSZ陽極結(jié)構(gòu)在相同的電流密度條件下和同一Ni-YSZ陽極結(jié)構(gòu)在不同的電流密度條件下的氣體擴散模擬結(jié)果，分別討論了連通的孔隙率、工作電流密度大小對氣體擴散及濃差極化的影響。
　　 Ni-YSZ陽極在熱循環(huán)過程中，Ni顆粒會逐漸聚集成更大塊的固體，從而