固体氧化物燃料电池传热传质数值分析

论文摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、燃料适用范围广、成本低、发电效率高等优点成为当前燃料电池研究领域的热点课题。本文以平板式阳极支撑SOFC为研究对象,对SOFC内部传热传质特性进行了深入研究。主要研究工作和成果如下:1、在全面介绍SOFC研究进展的基础上,分析了SOFC工作机理及其系统技术,对SOFC系统设计原则、设计要求及其设计方法进行了系统综述。2、以平板式阳极支撑SOFC为研究对象,建立了耦合电化学模型和传热传质模型,对求解该传热传质与电化学耦合方程的离散方法和数值计算方法进行了分析研究。3、运用FLUENT软件对单电池内部传热传质过程进行数值模拟,分析了电池内部组分分布、温度分布和电流密度分布特性,并与相关文献结论进行对比,验证了本文所采用数值方法的正确性。在此基础上,通过对进气方式、燃料入口流速和氢气含量以及空气入口流速等四种不同情况进行数值模拟,分析了单电池内部温度分布和电流密度分布特性,从而为电池堆设计提供了理论依据。4、通过对同向流、反向流和交叉流等三种流场模式的电池堆进行数值分析,认为同向流流场模式是最优的;通过对电池堆内部气流场的数值模拟,分析了电堆内部气流分配特性及其影响因素;针对电池堆启动的非稳态过程进行模拟分析,得到了电池堆内部温度梯度分布特性。在此基础上,提出了电池堆结构设计准则。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池的研究背景及课题研究意义
• 1.1.1 燃料电池的研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 固体氧化物燃料电池研究进展
• 1.2.1 SOFC 构件研究进展
• 1.2.2 SOFC 实验研究进展
• 1.2.3 SOFC 数值模拟研究进展
• 1.2.4 系统研究进展
• 1.3 本文研究主要内容
• 第二章 固体氧化物燃料电池系统技术
• 2.1 SOFC 系统概述
• 2.2 SOFC 系统类型
• 2.2.1 常压分布式SOFC 系统
• 2.2.2 加压式SOFC/涡轮机混合系统
• 2.2.3 家居、辅助电源和其它常压式SOFC 系统
• 2.3 小型SOFC 系统设计
• 2.3.1 设计原则与设计要求
• 2.3.2 系统工作过程
• 2.3.3 系统设计方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 固体氧化物燃料电池数学建模
• 3.1 平板式SOFC 数学模型研究内容和假设条件
• 3.2 平板式SOFC 数学模型的建立
• 3.2.1 电化学模型
• 3.2.2 传热传质模型
• 3.3 离散方程的求解
• 3.3.1 数值计算方法
• 3.3.2 计算策略
• 3.4 本章小结
• 第四章 单电池数值模拟
• 4.1 FLUENT 软件简介
• 4.1.1 FLUENT 软件基本功能
• 4.1.2 数值求解步骤
• 4.2 单电池几何建模及参数设置
• 4.3 数值模拟及其结果分析
• 4.3.1 数值计算
• 4.3.2 传热分析
• 4.3.3 传质分析
• 4.3.4 电流密度分析
• 4.4 数值模拟结果与文献数据的对比分析
• 4.5 不同工况条件下的数值模拟与分析
• 4.5.1 同向流与反向流工况
• 4.5.2 燃料入口不同氢气含量工况
• 4.5.3 燃料入口不同速度工况
• 4.5.4 空气入口不同速度工况
• 4.6 本章小结
• 第五章 电池堆仿真分析
• 5.1 电池堆内流场仿真分析
• 5.1.1 几何建模
• 5.1.2 数值模拟
• 5.1.3 计算结果分析
• 5.2 电池堆内部气流分配数值模拟
• 5.2.1 模型描述
• 5.2.2 气流分配及影响因素分析
• 5.3 非稳态过程的数值计算与分析
• 5.3.1 非稳态数学建模
• 5.3.2 非稳态数值求解
• 5.3.3 计算结果分析
• 5.4 电池堆结构设计准则
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与建议
• 6.1 总结
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果