熔融碳酸盐燃料电池内流动过程数值分析

论文摘要

当今世界面临的重大问题之一就是环境保护和能源的合理利用。随着环境污染加剧和能源的消耗,寻求并发展高效、节能的发电技术已迫在眉睫。燃料电池就是一种高效率、环境友好的发电装置,它的发电原理是把通过燃料和氧化剂气体反应生成的化学能直接转化为电能。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)由于其可用燃料种类多,发电效率高等优点而备受重视。我国对MCFC的研究相对落后,目前国内还没有MCFC试验电厂运行,实验研究费用也较高,而对MCFC的数值模拟既能够节省经费,也能够较好地为建设电厂给予理论基础。本文首先简要论述了我国能源状况以及大力发展燃料电池,特别是MCFC的优势。拟从宏观上使用计算流体力学(CFD)方法,建立模型,对MCFC进行模拟计算。其次,利用能斯特方程,求解电池开路电压(近似等于电池电动势),研究其理论电池特性,并分析各个因素对电池电势的影响。结果显示,温度是影响电池开路电压最重要的因素。同时燃料电池通道内气体流场也会影响温度场的分布,均匀的流场会使温度场分布更均匀,电极寿命更高。因而对气体流场的研究也是至关重要的。本文利用商业软件FLUENT分别建立阳极和阴极气体通道模型,确定质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及电化学反应方程,由于FLUENT中没有MCFC模块,作者从化学反应速度定义出发,定义此电化学反应速度,添加源项,建立数值模型,研究其内部温度场、气体流场和电流密度的分布情况,分析气体入口速度、水气比以及电池工作温度对电池的影响,并考查电池工作电压变化情况,计算结果对电池的优化设计有一定的理论指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 燃料电池的工作原理
• 1.2.2 燃料电池的特点
• 1.2.3 燃料电池的分类
• 1.2.4 熔融碳酸盐燃料电池
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 国外研究情况
• 1.3.2 国内研究情况
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 燃料电池的理论工作特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 熔融碳酸盐燃料电池的电池电动势计算
• 2.2.1 自由能计算
• 2.2.2 标准电动势计算
• 2.2.3 计算条件
• 2.2.4 气体分压计算
• 2.2.5 开路电压计算
• 2.3 能量转化率
• 2.4 计算结果讨论
• 2.4.1 温度的影响
• 2.4.2 燃料利用率的影响分析
• 2.4.3 水气比的影响分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 阳极气体通道内流场及温度场研究
• 3.1 引言
• 3.2 阳极气体通道计算模型
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 电化学反应速度
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.5 FLUENT 设置
• 3.3 计算结果与分析
• 3.3.1 通道内温度场的变化规律
• 3.3.2 浓度场的变化规律
• 3.3.3 电流密度的变化规律
• 3.3.4 速度分布
• 3.3.5 气体入口速度的影响
• 3.3.6 燃料气体入口浓度的影响
• 3.3.7 温度的影响
• 3.3.8 反应常数讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 阴极气体通道及电池特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 单电池计算模型与计算方法
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 FLUENT 设置
• 4.3 阴极气体通道计算结果与分析
• 4.3.1 通道内气体浓度变化情况
• 4.3.2 温度场的变化规律
• 4.4 电池输出电压结果讨论
• 4.4.1 温度对电压影响分析
• 4.4.2 水气比对电压影响分析
• 4.4.3 与理论解结果的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢