含功能梯度立體電極SOFC熱流電化學力學耦合數(shù)值模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作為一種新型發(fā)電方式，因為其能源供應的零污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、高能量轉(zhuǎn)換效率、對燃料的廣泛適應性、供電規(guī)模多元化和安裝地點靈活等一系列優(yōu)點，已成為新能源開發(fā)的研究熱點。 由于SOFCs在能量轉(zhuǎn)換過程中需要經(jīng)歷復雜的傳熱、傳質(zhì)、電化學反應等過程，因此，SOFCs輸出功率密度和力學性能直接影響其能量轉(zhuǎn)換效率和使役壽命。然而，能量轉(zhuǎn)換效率和力學性能受SOFCs部件材

2、料離子導電率、陽極/電解質(zhì)/陰極界面電阻的影響和化學反應活性面積的相互依賴的影響，難以用實驗手段測定各個影響參數(shù)對SOFCs性能的影響。為此，利用模擬計算技術(shù)來選擇和優(yōu)化SOFCs結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計和電池運行條件是改善和提高其綜合性能的行之有效的方法之一。 基于SOFC工作原理，對其系統(tǒng)內(nèi)固―氣共存多相傳熱傳質(zhì)建立熱流模型，采用“塵氣模型”（Dust Gas Model）研究了多組分氣體在流道和多孔介質(zhì)內(nèi)的傳輸，率先采用改進的B

3、FD（Brinkman-Forschheimer-Darcy）模型，描述氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流，考慮了混相多組分氣體在傳輸過程中的質(zhì)量、動量和能量源項，然后提出采用有限元軟件和外部子程序的方法對此模型進行求解。 首次建立了針對復雜結(jié)構(gòu)和材料的SOFCs的智能化電化學模型，定量描述SOFCs系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程中伴隨的化學反應與熱流電化學模型的耦合關(guān)系，研究了瓦楞和多面體SOFCs復雜結(jié)構(gòu)電極內(nèi)和電解質(zhì)內(nèi)的電子三維不定向遷移、電流、

4、電壓和輸出功率與系統(tǒng)內(nèi)化學反應程度和速度的關(guān)系，并介紹軟件的系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)了無須重新前處理的智能化、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計和FLUENT二次開發(fā)。 為避免電極和電解質(zhì)間界面接觸狀態(tài)影響電池輸出功率和由于熱膨脹系數(shù)差異引起高溫循環(huán)操作后的剝離或“串氣”，率先在SOFC電極和電解質(zhì)之間引入了功能梯度層，保證了在熱膨脹系數(shù)差異較大的陰極、陽極和電解質(zhì)之間的梯度層物性參數(shù)和孔隙連續(xù)漸變，尋求兼高能密度和較好力學性能的SOFCs最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5、 為了擴大燃料氣適應性，研究了碳氫化合物混合氣體作為燃料氣的SOFCs的綜合性能，考慮了甲烷氣體的重整反應、可逆的水交換反應以及電化學反應過程中多種化學反應機制對輸出功率密度的影響。率先發(fā)現(xiàn)碳氫化合物作為燃料氣在小型SOFCs能量轉(zhuǎn)換過程中氫氣逐漸增多的趨勢，據(jù)此提出了采用碳氫化合物和其尾氣循環(huán)供應燃料氣的方法，并從理論上闡明了碳氫化合物作為燃料氣的對工業(yè)尾氣回收利用的可行性。 首次基于SOFCs實際工作運行過程中的溫度分布，